Технологічні основи забезпечення якості та енергозбереження в процесах складання та розбирання з індукційним нагрівом

Число n достатньо велике, і всі функції розподілу F_i(ф) = 1-l_2i(ф) такі, що при розкладанні їх в степеневий ряд по ф має місце при ф 0 рівність

F_i (ф) = g _ф^г + о(ф^г),

де g 0, г0, 0 - нескінченно мале.

Звідси витікає, що функція надійності при поступових відмовах з піковими навантаженнями апроксимується виразом вигляду

(18)

де в=1/gn.

Тоді, з (15), (16) і (18) маємо модель надійності індуктора

(19)

На рис.19 представлені функції надійності l₁(ф), l₂ (ф) та l(ф) для л = 0,2, г = 1,5 та в =10.

Розрахунки виконані за розробленою програмою в Mapl 9.5.

Для моделі (19) методом максимальної правдоподібності знайдено оцінки параметрів г, у та л, що дозволило за результатами невеликої кількості випробувань (7-10) зробити оцінки надійності ІНУ у будь-який момент часу.

Оцінку гамма-процентного ресурсу ІНУ при заданому ризику і знайдених оцінках параметрів г, у та л визначають із розв'язку рівняння (20) відносно ф.

. (20)

У шостому розділі представлено експериментальні дослідження, виконані в лабораторних умовах і на підприємствах різних галузей промисловості при відладці впроваджуваних ТП і устаткування.

Роботи виконувалися за методикою, яка передбачає всі стадії експерименту, починаючи від вибору матеріалу зразків, натурних деталей і з'єднань до устаткування, приладів і інструментів. Як прилади, які реєструють температуру, використовувалися електронні потенціометри КСП - 4, а деформацій - СИИТ-3. Нагрівальними пристроями були експериментальні індуктори або промислові ІНУ. При дослідженнях НДС при нагріванні використовувалися високотемпературні приварювані фольгові тензорезистори НПМ - 430 з базою 10 мм, опором 98-101 Ом і коефіцієнтом тензочутливості 1,97.

Експерименти по нагріванню та складанню проводилися з шарикопідшипниками №115, 220 і 326, зубчатими втулками, напівмуфтами і гальмівними шківами мостових кранів з діаметром посадки від 40 мм до 135мм, колесом з віссю тепловозу ТГМ - 40. Для розбирання використовувалися з'єднання балансир з торсіоном і “валом в зборі” планетарної бортової передачі гусеничної машини. Для процесів складання та розбирання - бронзове облицювання із сталевим валом суднового двигуна середнього риболовецького траулера (СРТ-М) з посадкою 182Н9/t6, зовнішнім діаметром облицювання 210мм, завдовжки - 760 мм при довжині валу 2300мм.

В результаті експериментальних досліджень встановлено раціональне співвідношення між розміром зовнішньої поверхні деталі, що нагрівається, і площею опорного магнітопровідника для індукторів за схемою рис.16 а) і б), при якому його cos ц, який можна визначити як енергетичний ККД, буде максимальним, а також конструкцію пірамідального магнітопровідника, що дозволяє здійснювати випереджаючий нагрів внутрішніх кілець незалежно від розміру підшипника.

Нагрівання гладкої циліндричної втулки із сталі 45, масою 5,3 кг в запропонованому комбінованому типі індуктора (схема рис.17) потужністю 9,7 кВт показало хороші результати: при високій швидкості нагріву - 250°С за 2 хв - температурний градієнт між зовнішньою і внутрішньою поверхнями склав всього 10°С на товщині 25 мм.

Експерименти з колесом тепловозу ТГМ-40 включали досліди по його нагріванню під посадку на вісь, збирання з віссю і визначення НДС матеріалу у порівнянні з даними по запресовці, які отримані в результаті досліджень ЦНДІ МШС. На рис. 20 представлено розподіл температур в колесі (усереднені дані) в процесі його нагрівання протягом 6 хв в індукторі (за схемою рис.15 б), під посадку на вісь, і подальше охолодження протягом 44 хв (включаючи процес складання).

Максимальні радіальна і окружна нормальна напруги в колесі при його нагріванні представлено в табл.2, а розпо-діли - на рис.21 і рис.22.

Таблиця 2

Максимальна напруга в колесі тепловоза у різні моменти нагрівання і після збирання колісної пари, МПа

Порівняння розрахункових (МКЕ - D) і експериментальних даних (тензометрія) показав їх збіг в межах 20%.

Нагрів балансирів з розточеними отворами діаметром 70 мм, у виготовленому у відповідності з теоретичними розрахунками розподілу потужності по балансиру, індуктором (рис.15 г) показав, що розширення отворів величиною 0,31-0,35 мм практично рівномірно в осьовому і радіальному напрямках. Час нагріву від 2 хв 30с до 2 хв 45с, що відрізняється від теоретично визначених значень на 24%, дає задовільний результат.

Експерименти по нагріванню під складання і розбирання облицювань гребних валів суднових механізмів виконувалися з використанням дослідно-промислового зразка індуктора, який було виготовлено згідно з розрахунком теплового стану облицювання за трьохмасовою моделлю (рис. 23).

Як видно, його котушка 1 виготовлена з нерівномірним розташуванням витків, і її обхоплює магнітопровідна система 2. Це дозволило отримати розрахункове температурне поле, змінне по довжині облицювання, що забезпечило його скріплення з валом середньою частиною, яку було нагріто до 130°С, тоді як кінці - до 145°С. Такий розподіл температур забезпечив отримання якісного з'єднання, оскільки було виключено розтягуючу напругу. Цей же індуктор було випробувано для нагрівання під розбирання і отримано хороші результати. Час нагрівання під складання склав 7 хв, а при розбиранні - 9 хв. Час скріплення облицювання з валом - 5хв. Потужність індуктора - 44 кВт.

У сьомому розділі представлено результати промислового використання технологій і устаткування, методики розрахунку їх економічної ефективності, технологічні принципи створення індукційно-нагріваючого устаткування, а також розглянуто напрямки розвитку цього виду техніки.

Описано напівавтоматичну ІНУ для нагрівання деталей типу шків, напівмуфта, зубчате колесо під складання (рис.24), установку для розбирання з'єднань валу бортової планетарної передачі (рис.25) і балансира з торсіоном гусеничної машини (рис.26), напівавтоматичну установку для нагрівання та збирання елементів колісних пар локомотивів, індукційно-нагрівальну установку для складання і розбирання облицювання з валом суднового двигуна CРТ-М.

Запроваджені технологія та обладнання дали можливість в залежності від конструкції та габаритів деталей і з'єднань знизити енергозатрати та підвищити якість функціонування технологічних процесів.

Економічна ефективність впроваджених робіт за період з 1975 по 1990р.р. з урахуванням дольової участі складає більше 1,5 млн.крб., а з 2004 по2005р. - 32 тис.грн.

Висновки

Розв'язано наукову проблему забезпечення якості і енергозбереження в технологіях складання і розбирання з'єднань з натягом при використанні індукційного нагріву, яка актуальна для важкого, енергетичного, транспортного машинобудування, суднобудування і судноремонту, гірського машинобудування. Запропоновані принципові технологічні і технічні рішення є загальними для складального та ремонтного виробництв, що забезпечить проектування ефективних технологій на основі уніфікації, а також економічне індукційно-нагрівальне устаткування на основі типізації.

Проведені теоретичні і експериментальні дослідження дозволяють зробити такі висновки:

1.Якісне складання з'єднань з натягом визначається для запресування величиною контактного тиску, а при використанні термодії -температурою та її розподілом. За запропонованою номограмою можна вибрати якнайкращий варіант технології залежно від характеристики з'єднань.

2.Інформаційне забезпечення технології дає змогу знизити рівень витрат теплової енергії: збирання по дійсному натягу - до 35% від нагріву під максимальний натяг; селективне збирання по натягу, близькому до мінімального - до 50% і збирання з приточуванням деталей на мінімальний натяг - до 60%.

3.Локальний індукційний нагрів зони отвору деталі, що конструктивно є маточиною з диском або маточиною з диском і ободом, дозволяє заощадити теплову енергію до 25% від повного нагріву деталі. Найбільші напруги в матеріалі деталі з диском і ободом виникають при кутах нахилу диску 4-8 градусів.

4.Запропоновані систематизація виробів та з'єднання з натягом деталей, типізація індукційних нагрівачів дозволили на загальній основі уніфікувати технології для процесів збирання і розбирання з використанням однотипного устаткування.

5.Якість процесів збирання і розбирання в часі можна оцінювати за якістю технологічної системи, що їх реалізує, використовуючи комплексний безрозмірний параметр, що є сукупністю різнорідних параметрів. Це дає можливість оцінити будь-яку гарантію величини напрацювання до повної відмови технологічної системи.

6.Розроблені фізико-математичні моделі, що описують неоднорідні нестаціонарні теплові процеси низькотемпературного індукційного нагріву деталей і теплообміну в з'єднаннях, дозволяють визначати:

- необхідну питому потужність нагріву і її розподіл по поверхні вісесиметрічної деталі залежно від необхідної форми розширення її посадочної поверхні;

- час скріплювання або розкріплювання деталей в з'єднання з похибкою до 10%, необхідний для розрахунку циклів збирання або розбирання;

- режим локального нагріву складнопрофільної вісесиметричної складальної одиниці типу обандажене колесо залізничного транспорту, що забезпечує якість по гранично-допустимій температурі і напругах в матеріалі;

- режим локального нагріву невісесиметричних з'єднань з охоплюючою деталлю плоскої конструкції типу “балансир з торсіоном гусеничної машини”, що забезпечує отримання рівномірного розширення посадочного отвору, із збереженням якості по допустимих температурах і напругах в матеріалі.

7.Виконана типізація індукційних нагрівачів за сферами застосування - збирання, розбирання або збирання і розбирання, конструкціями деталей, а також запропоноване до використання їх керування по струму дозволяє виконувати нагрівання з високим коефіцієнтом потужності (cos ц до 0,6 - 0,7), що зменшує витрату електричної енергії.

8.Розроблена фізико-статистична модель надійності багатовиткового індуктора, яка фізично адекватна до процесів, що протікають в ньому при нагріванні деталей, дозволяє оцінювати гамма-процентний ресурс при малому обсязі контрольних випробувань (n?10).

9.Проведені дослідження дали змогу висунути і сформулювати ряд нових наукових положень:

- безрозмірної оцінки функціонування технологічних систем в часі;

- оцінки надійності індукторів, що враховує як раптові, так і поступові відмови.

10.Результати досліджень, що мають прикладний характер, впроваджено у виробництво в період з 1973-2006р.р. на судноремонтних заводах, тепловозоремонтних заводах, заводах важкого машинобудування, підприємствах Куби (за контрактом Енергомашекспорту СРСР). Це дало можливість в залежності від конструкції та габаритів деталей і з'єднань знизити енергозатрати від 10% до 25%. Якість функціонування технологічних процесів в часі підвищується на 15% - 20%.

публікації за темою дисертації

1.Андреев Г.Я., Кушаков В.И., Резниченко Н.К. Универсальный полуавтомат сборки соединений диск-вал.// Механизация и автоматизация производства. -М.-1975.- №9. -С. 6-7.

2. Резниченко Н.К.,Тимошенко С.Н., Тарасов П.А. Полуавтоматическая многоэлементная сборка крупногабаритных деталей.//Материалы всесоюзного научно-технического семинара "Сборка-78".- Харьков. -1978. -С. 17-19.

3. Лыткина Н.К., Кушаков В.И., Резниченко Н.К. Прочность бесшпоночных соединений барабанов ленточных конвейеров при тепловой сборке.// Проблемы прочности.- К. - 1979.-№4. -С.73-76.

4. Лыткина Н.К., Кушаков В.И., Резниченко Н.К. Напряженно-деформированное состояние втулки подшипника скольжения при тепловой сборке и эксплуатации.//Детали машин. Республиканский межведомственный научно-технический сборник. - М.- 1980.- №30. -С. 96-102.

5. Любов В. А., Святуха А.А.,Кравцов М.К., Резниченко Н.К. Тепловая сборка и разборка крупногабаритных деталей кольцевой формы.// Всесоюзный научно-технический семинар "Повышение организационно-технического уровня сборочного производства на предприятиях "Минсельмаша". - Павлодар. - 1984.- С.5-7.

6. Резниченко Н.К., Романов В.А., Куценко А. И., Добровенский Ю.М., Софиенко В.Д. Станок для тепловой сборки. //Механизация и автоматизация производства. -М. -1988 .-№ 7. С.18-19.

7. Святуха А.А., Каюн Г.Г., Кравцов М.К., Андрущенко И.П., Резниченко Н.К. Съемник индукционный. Свидетельство на промышленный образец № 26206 от 15.09.88.

8. Резниченко Н.К., Романов В.А., Куценко А.И., Добровенский Ю.М., Софиенко В.Д. Механизированная разборка соединений колец подшипников с осями колесных пар.//Механизация и автоматизация производства. -М. -1990.- №3. - С.7-8.

9. Святуха А. А., Кравцов М.К., Любов В.А., Резниченко Н.К., Хмара А.Л. Механизация разборки подшипниковых колец и лабиринтовых уплотнений осей колесных пар тепловозов. // Механизация и автоматизация производства. -М. -1990.- №12. С.18-19.

10. Кравцов М.К., Любов В.А., Резничеко Н.К., Святуха А. А. Станок для тепловой разборки прессовых соединений. Свидетельство на промышленный образец №29016. -1989.

11. Резничеко Н.К., Святуха А. А., Любов В.А., Кравцов М.К. Установка для тепловой разборки прессовых соединений.А.С.-№ 1556861. -1989.

12. Лыткина Н.К., Резниченко Н.К. Полуавтомат для тепловой сборки соединений "вал-ступица" ленточных конвейеров. // Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ХИПИ. Харьков. - 1993 .- С.20-21.

13. М.К. Кравцов, Н.К. Резниченко, А.А. Святуха, В.В. Чернов. О влиянии прочностных характеристик промежуточных сред на несущую способность соединений с натягом собранных тепловым способом. // Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини. Збірних наукових праць КНУТД. -Київ: КНУТД. -2003. -№13. -С. 203-210.

14. М.К. Кравцов, Н.К. Резніченко, А.А. Святуха. Определение прочности характеристик промежуточного слоя в неподвижных соединениях, собранных технологий с нагревом. // Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини. Збірних наукових праць КНУТД. -Київ: КНУТД. -2004. -№39. -С.77-85.

15. Андреев А.Г., Резниченко Н.К. Напряженно-деформированное состояние составных осесимметричных конструкций, собираемых с натягом при использовании нагрева. // Вісник Національного технічного університету "ХПІ". -Харків: НТУ “ХПІ”. -2005.-№47. -С. 3-8.

16. Арпентьев Б.М., Резниченко Н.К. Применение технологии сборки соединений с натягом в машиностроительном производстве. // Вісник Національного технічного університету "ХПІ". -Харків: НТУ “ХПІ”. - 2005. - №43 - С .52-55.

17. Дука А.К., Резниченко Н.К. Нелинейная модель теплового режима сборки и разборки соединений с натягом.// Вісник Національного технічного університету "ХПІ". -Харків: НТУ “ХПІ”. - 2005. - №23- С. 89-95.

18. Резниченко Н.К., Созонов Ю.И. Надежность многовитковых индукторов. // Вісник Національного технічного університету "ХПІ". -Харків: НТУ “ХПІ”. - 2005. - №39 - С. 22-29.

19. Резниченко Н.К. Энергоинформационные технологии в сборочном производстве. // Вісник Національного технічного університету "ХПІ". -Харків: НТУ “ХПІ”. - 2005. - №9 - С. 43-48.

20. Арпентьев Б.М., Резниченко Н.К., Созонов Ю.И. Надежность изделий при случайных пиковых нагрузках. // Тезисы доклада 15 международной конференции “Новые технологии в машиностроении” 3-8 сентября. -Рыбачье. -2005. -С.56-58.

21. Лагода А.Н., Резниченко Н.К., Арпентьев Б.М. Индукторы для нагрева деталей под сборку и разборку. // Технологии ХХI века 12-я международная научно-методическая конференция , тезисы доклада. - Сумы: СНАУ. -2005. -С.23.

22. Арпентьев Б.М., Резниченко Н.К., Созонов Ю.И. Надежность изделий при случайных пиковых нагрузках. //Вісті АІНУ. Машинобудування і прогресивні технології. -2005. -№ 3(26). -С. 71-74.

23. Клочко В.А., Дука А.К., Резниченко Н.К. Нелинейная физико-математическая модель сборки соединений с натягом при использовании нагрева. // Вісник науки і техніки. Харків: НТУ “ХПІ” - 2005. -№4(23) - С.28-37.

24. Арпентьєв Б.М., Резниченко Н.К., Дука А.К. Спосіб визначення теплової провідності контакту з'єднань з натягом. // Деклараційний патент на корисну модель №10972 від 15.12.05р. бюл. №12.

25. Маркин А.М., Резниченко Н.К. К вопросу о надежности невосстанавливаемых объектов // Довговічність, надійність, працездатність деталей рухомого складу залізниць та спеціальної залізничної техніки. Збірник наукових праць УкрДАЗТ. -Харків: УкрДАЗТ. -2005. -С. 189-196.

26. Лагода А.Н., Резниченко Н.К. Індуктори для нагріву деталей під складання і розбирання в механоскладальному виробництві та їх класифікація. // Вісник Сумського національного аграрного університету. -Суми: СНАУ. -2006. -№9(15). -С148-154.

27. Дука А.К., Резниченко Н.К. Индукционный нагрев деталей технологических соединений асимметричным электромагнитным полем. // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Машинознавство та САПР. Харків: НТУ “ХПІ”.- 2006. - № 24. - С.84-91.

28. Резниченко Н.К. Безразмерный комплексный параметр качества технологической системы // Високі технології в машинобудуванні: Збірник наукових праць .-Харків: НТУ “ХПІ”.- 2006. - Вип.1 (12) - С.417-423.

29. Арпентьєв Б.М., Резниченко Н.К. Оцінка надійності виробів по малої кількості випробувань. // Вісті АІНУ. Машинобудування і прогресивні технології. -2006. -№3(30).-С. 82-88.

30. Резниченко Н.К. Разборка соединений колесно-гусенечных машин с применением индукционного нагрева // Восточно - Европейский журнал передовых технологий. - Харків. -2006. - №3/2(21). - С.90-93.

31. А.Г.Андреев, Н.К. Резниченко, О.В. Щепкин. Оптимизация нагрева при разборки деталей. // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”.- Харків: НТУ “ХПІ”. - 2006. - №32 - С. 3-8.

32. Арпентьєв Б.М., Добровенський Ю.М., Куценко А.І., Резніченко М.К., Романов С.В. Пристрій для збирання і розбирання пресових з'єднань деталей складної форми. // Деклараційний патент на корисну модель №14652 від 15.05.06р. бюл. №5.

33. Резниченко Н.К., Дука А.К. Качество сборки соединений с натягом при использовании нагрева. // Сборка в машиностроении, приборостроении. -М.: Машиностроение. -2005. - №8. -С. 34-38.

34. М.К. Кравцов, Н.К.Резниченко , А.А. Святуха. Вплив деяких видів покриттів на міцність нерухомих з'єднань, складених тепловим способом.// Материалы I международной научно-практической конференции “Наука и технологии: шаг в будущее - 2006”. Белгород: Роснаучкнига. -2006. -С.20-22.

35. Арпентьєв Б.М., Резниченко Н.К. Параметрические показатели качества изделий. //Современные проблемы подготовки производства, заготовительного производства, обработки, сборки и ремонта в промышленности и на транспорте: Материалы 7-го Международного научно-технического семинара. г. Свалява. - Киев: АТМ Украины, -2007. - С.5-9.

36. Дука А.К., Резниченко Н.К. Оптимизация индукционного нагрева изделий в механосборочном производстве. // Резание и инструмент в технологических системах. Международный научно-технический сборник. Харків: НТУ “ХПІ”. - 2007. - № 72. - С.136-143.

В роботах 1 - 12, 30, 32 здобувачем запропоновано технологію збирання індукційно-тепловим методом з'єднань та принципове рішення з конструкції напівавтоматів, верстатів, пристроїв та технологічні принципи проектування обладнання; схеми багатоелементних та габаритних деталей з'єднань при складанні та розбиранні; розроблено теоретичний метод оцінки міцності безшпоночних з'єднань та метод розрахунку змін внутрішнього діаметру втулки підшипника ковзання при тепловому складанні; розроблено технологію знімання підшипників кілець з вісей колісних пар та з'єднання колісно-гусеничних машин.

В роботах 13 - 16, 31, 34 запропоновано методику розрахунку міцнісних характеристик нерухомих з'єднань, які складені індукційно-тепловим методом, моделі напружено-деформованого стану вісесиметричних складальних конструкцій та плоскої пластини з несиметрично розташованими отворами при нагріванні для складання та розбирання, рекомендації по забезпеченню якості посадок з натягом в залежності від величини натягу та діаметру з'єднання; методику розрахунку характеристик статичної міцності, з'єднань з покриттям.

В роботах 17, 23, 24, 33 запропоновано фізико-математичну модель теплового стану з'єднань з натягом, що враховує нестаціонарні теплові процеси; розрахункові залежності для визначення складових теплопередачі в проміжному шарі нерухомого з'єднання; трьохмасову модель термодинамічного стану з'єднань, яка дозволяє розрахувати розподіл температур деталі перед складанням.

В роботах 19, 36 запропоновано принципові технологічні рішення по енергозбереженню при складанні з'єднань з нагрівом та розбиранні з'єднань з індукційним нагрівом.

В роботах 18, 20, 25 запропоновано модель оцінки надійності індуктора на основі трьохпараметричного розподілу Вейбула з урахуванням постійних та пікових навантаженнях, методику розрахунку гама-процентного ресурсу виробу.

В роботах 21, 26 запропоновано принципи типізації індукторів та загальний підхід індукційного нагріву деталей симетричними та асиметричними електромагнітними полями.

Размещено на Allbest.ru