Забезпечення надійності процесу гідроабразивного різання на основі ідентифікованих моделей власних і параметричних відмов

Размещено на http://allbest.ru

СевАстопольський національний технічний універсИтет

УДК 621.9.044:62-192

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

забезпечення надійності процесу гідроабразивного різання на основі ідентифікованих моделей власних І параметричних відмов

Спеціальність 05.03.01 - процеси механічної обробки, верстати та інструменти

ДУДЮК ВІТАЛІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

Севастополь - 2011

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі процесів і обладнання механічної та фізико-технічної обробки Кременчуцького національного університету ім. Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, м. Кременчук

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор Саленко Олександр Федорович, Кременчуцький національний університет ім. М. Остроградського, завідувач кафедрою процесів і обладнання механічної та фізико-технічної обробки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Струтинський Василь Борисович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Заслужений діяч науки і техніки України; завідувач кафедрою конструювання верстатів та машин

кандидат технічних наук, доцент Каїнов Дмитро Олексійович Севастопольський національний університет, доцент кафедри технології машинобудування

Захист відбудеться 24 червня 2011 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 50.052.01 у Севастопольському національному технічному університеті за адресою: 99053, м. Севастополь, вул. Університетська, 33, малій конференц-зал «FESTO».

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці СевНТУ м. Севастополь

Автореферат розісланий “23 ” травня 2011 року.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради О.О. Харченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Широкі технологічні можливості методу обробки матеріалів швидкоплинним гідроабразивним струменем малого діаметра, спроможність здійснювати різання таких матеріалів, для яких традиційні методи механічного або теплового впливу малоефективні або неможливі, обумовили активне просування гідрорізного обладнання на ринках провідних країн світу, в тому числі, України. Однак після придбання та налагодження верстату, споживач зазвичай стикається з рядом непередбачуваних відмов власного та параметричного характеру, які є наслідком пошкоджень еле-ментів струменеформуючих пристроїв (набагато рідше - систем живлення високого тиску), що призводить до неоправданого зростання отриманого браку, надлишкових витрат матеріалу при різанні складно профільних високоточних виробів, а також до значного зростання собівартості обробки.

Оскільки нині методології прогнозування надійності процесу гідроабразивного різання не існує, однією з проблем, що виникає у виробничих умовах та являє науковий інтерес, є виявлення природи і закономірностей пошкодження струменеформуючих елементів з подальшим встановленням функціональних зв'язків між рівнем пошкоджень та обумовленими цими пошкодженнями параметрами якості оброблюваної заготовки, що дозволить запропонувати методики прогнозування надійності процесу та нові технічні рішення, прийоми та засоби забезпечення стабільної роботи гідрорізної системи при обробці відповідальних виробів.

Так як питання забезпечення надійності функціонування гідрорізних верстатів залишаються відкритими як для провідних фірм, так і для вітчизняних виробників, даний напрямок досліджень є актуальним та значущим.

Зв'язок із науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження виконувалися у рамках держбюджетної, господоговірної та пошукової тем: фундаментальна науково-дослідна робота бюджетного фінансування «Розвиток теорії руйнування нових конструкційних матеріалів потужними джерелами енергії» (№ 13Д/06 - ВВК, 2006-2008 р.р., КДПУ, № держреєстрації 0106U002060); «Поліпшення експлуатаційних властивостей виробів із ПВХ-профілів за рахунок оптимізації обробних технологій» (№115/-7-ВВК-«КреміньПласт», 2007-2008 р.р.; КДПУ).

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є зменшення втрат від браку при гідроабразивному різанні відповідальних деталей на основі забезпечення надійності процесу із використанням ідентифікованих моделей власних і параметричних відмов.

Для досягнення мети поставлено ряд задач досліджень:

1) на основі аналізу виготовлення, складання та функціонування елементів струменеформуючої системи побудувати загальну схему втрати її працеспроможності, розробити методику прогнозування часу стабільного протікання процесу при обробці відповідальних деталей;

2) виявити природу пошкоджень та розробити модель безвідмовності реалізації процесу з урахуванням явищ пошкоджень каналу сопла, каналу та торця калібрувальної трубки, несталостей подачі абразиву;

3) встановити залежність отримуваних при гідрорізанні показників якості від ступеня пошкодження каналу сопла, каналу та торця калібрувальної трубки;

4) встановити закони розподілу термінів служби швидкозношувальних елементів струменеформуючої системи, виконати ідентифікацію та верифікацію моделі безвідмовності реалізації процесу, встановити закон розподілу часу настання відмови як випадкової величини;

5) розробити нові технічні засоби для забезпечення надійності гідрорізної системи при максимальному використанні ресурсу цих елементів і додержанні вимог із якості;

6) впровадити розробки у діюче виробництво.

Об'єктом дослідження є процес гідроабразивного різання листових матеріалів.

Предмет дослідження - надійність процесу в умовах прояву явищ пошкодження елементів струменеформуючої системи з відповідними змінами показників якості обробки.

Методи дослідження. Роботу виконано на базі фундаментальних положень технічної гідромеханіки, теорії різання, теорії надійності, теорії міцності та пластичності. Моделі формування відмови процесу гідроабразивного різання побудовані на основі класичних уявлень щодо надійності складних технічних систем. Використано результати досліджень кавітаційного та гідроабразивного зносу твердих тіл у швидкоплинному потоці. Залучено сучасні методи експериментального дослідження поверхонь: електронну растрову мікроскопію та енергодисперсійний рентгенівський мікроаналізатор поверхні та поверхневого шару. Дослідження явищ пошкодження поверхонь здійснювалося із використанням програмних продуктів FlowVision. Обробка експериментальних даних здійснювалася прикладними програмами: «MathCAD 2000», «Statgraphics 5». Достовірність теоретичних посилок, розробок, конструкцій інструментів та технологій підтверджена експериментами, виконаними в лабораторних та виробничих умовах.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше на основі аналізу явищ взаємодії швидкоплинного потоку малого діаметра з ежектованим повітряно-твердофазним потоком абразивних частинок та наступним прямуванням робочого струменя до оброблюваної поверхні описано розвиток пошкоджень струменеформуючих елементів та встановлено, що параметричні відмови обумовлені явищами абразивного зношення каналів, внаслідок чого збільшується його отвір та змінюється геометрія зони різання, а власні - гідроударними хвильовими процесами, що виникають у струмені під час взаємодії з оброблюваним тілом і призводять до виникнення сколювань сопла та калібрувальної трубки, внаслідок чого втрачається різальна здатність гідроабразивного струменя.

2. Доведено, що пошкодження каналу калібрувальної трубки відбувається нерівномірно, обумовлюється переважаючим напрямком контурної подачі, причому між ступенем нерівномірності зношення каналу та відносною довжиною однонаправленого руху існує кореляційний зв'язок, а відхилення профілю отвору від кола задовільно описуються гармоніками ряду Фур'є.

3. Із використанням положень теорії надійності складних технічних систем отримано аналітичний вираз для прогнозування часу безвідмовності процесу гідроабразивного різання та визначено його параметри для гідрорізних систем вітчизняного виробництва. Доведено, що розсіювання часу настання відмови як випадкової величини задовільно описується законом Вейбула-Гнеденко.

4. Встановлено функціональні зв'язки між рівнем пошкоджень та обумовленими цими пошкодженнями параметрами якості оброблюваної заготовки.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Запропоновано принцип контролю стану та залишкового ресурсу струменеформуючого сопла, який базується на оцінці плями розсіювання просвіченого крізь потік плями від оптичного квантового генератора низької потужності променя, фіксованого матрицею пристрою із зарядовим зв'язком (ПЗЗ-матрицею); розроблено алгоритм проведення діагностичних вимірів.

2. Удосконалено методику розрахунку режимів ведення обробки із врахуванням умов забезпечення надійності процесу.

3. Отримано рівняння для визначення запасу надійності процесу гідроабразивного різання за встановлених показників якості отримуваної крайки, використання яких дозволяє визначити раціональні режими ведення обробки та час заміни елементів струменеформуючої системи для передування виникнення браку.

4. Розроблено нове технічне рішення для максимального використання ресурсу калібрувальної трубки під час реалізації процесу гідроабразивного різання, яке дозволяє забезпечити рівномірний знос каналу трубки шляхом обертання останньої.

5. Сформульовано принципи забезпечення надійності гідроабразивного різання та отримано практичні рекомендації щодо удосконалення верстата ГАР-400 виробництва НВФ «Родень» (м. Черкаси).

Результати роботи у вигляді експериментальних стендів для виконання лабораторної роботи із курсу «Технологія конструкційних матеріалів» та «Фізико-технічні методи обробки у машинобудуванні» впроваджені у навчальний процес Кременчуцького національного університету ім. М.Остроградського; на спеціалізованому дослідно-експериментальному підприємстві з випуску гідрорізного обладнання НВФ «Родень», де здійснене впровадження результатів дисертаційної роботи у вигляді рекомендацій та розрахункових методик, а також алгоритмів керування процесом струминного різання.

Особистий внесок здобувача. Усі основні результати дисертації отримані автором самостійно. Результати досліджень, виконаних у співавторстві, отримані при безпосередній участі дисертанта на всіх етапах роботи. Здобувачем особисто сформульовано наукові положення роботи, наведено технологічні та технічні рішення, використання яких дозволяє суттєво підвищити надійність процесу гідроабразивного різання, знизити собівартість обробки та зменшити обсяг браку, отримуваного під час реалізації процесу у виробничих умовах.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на конференціях: щорічній науково-технічній конференції Асоціації спеціалістів промислової гідравліки та пневматики (НАУ, м. Кременчук, 2008 р.); Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми створення нових машин та технологій» (КДПУ, м. Кременчук, 2007, 2009, 2010 р.р.); Міжнародній науково-технічній конференції «Прогресивна техніка та технологія» (м. Київ, м. Севастополь, 2009 р.); щорічній Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених і спеціалістів «Актуальні проблеми життєдіяльності суспільства» (м. Кременчук, 2009 р., 2010 р.); ХІ Всеукраїнська молодіжна науково-технічна конференція «Машинобудування України очима молодих» (м. Запоріжжя, 2009р.); Міжнародній науково-технічній конференції «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (м. Київ, 2010 р.); ХІ міжнародній науково-технічній конференції «Прогресивна техніка і технологія - 2010» присвячена 100-річчю від дня народження академіка НАН України Г.С. Писаренка (м. Київ, 2010р.); Всеукраїнській науково-технічній конференції «Сучасні напрямки та перспективи розвитку технологій обробки і обладнання в машинобудуванні «Механообробка. Севастополь - 2010» (м. Севастополь, 2010 р.); Міжнародній науковій конференції УНІТЕХ 09 (м. Габрово, Болгарія 2009 р.); International scientific conference Unitex - 10 (Gabrovo, 2010).

Публікації. За результатами дисертаційних досліджень опубліковано 16 праць, у тому числі, у фахових виданнях - 10; тез доповідей - 3; отримано патент на корисну модель.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел із 180 найменувань і додатків. Загальний обсяг роботи - 207 сторінок, зокрема 190 основного тексту, в тому числі 63 рисунка, 25 таблиць, список використаних джерел на 18 сторінках, додатки на 6 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету, об'єкт, предмет дослідження і задачі, які автор розв'язує у роботі. Окреслено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Подано відомості про апробацію, публікації та структуру дисертаційної роботи.

У першому розділі проведено аналіз та узагальнення наукових праць з питань дослідження процесу гідроабразивного різання конструкційних матеріалів, а також забезпечення надійності складних технічних систем і процесів, до яких можна віднести аналізований процес. Розглянуто існуючі моделі опису гідроабразивного різання, представлені в роботах J.Bitter, P.Bridgmann, P.Engel, M.Hashish, H.Arasawa, I.Finnie, M.Halter, R. Koladychz, Kozo Koshi, M. Mazurkiewicz, K.Yamamoto, I.Daniel, L.Tutluoglu, M.Hood, С.Barton, М.Дюплессі, І.Петко, О.Проволоцького, Ю.Клапцова, Ю.Пономарьова, В.Слободяника, В.Струтинського, О.Саленка, О.Антоненка, Р.Тихомірова, О.Яхно; подано аналіз особливостей формування швидкоплинного струменя, висвітлених в роботах М.Vijay, М. Bielawsky, N. Paquette, В.Струтинського, В.Бадаха, В.Гейчука, Н.Семінської та ін.; показано, що практично всі запропоновані підходи розглядають систему як квазістаціонарну і не враховують повільно протікаючи явища і явища випадкового характеру, прояв яких, власне, і призводить до власної або параметричної відмови. На основі аналітичних даних та опрацювання статистичних відомостей з виробництв, що використовують гідрорізне обладнання, зроблено висновок, що порушення нормального ходу процесу обумовлюється переважно станом системи струменеформування, оскільки інші системи мають достатній запас надійності. Виникаючі відмови ведуть до появи браку і значних матеріальних втрат, перевитрати часу на обробку партії заготовок.

Детально розглянуто питання надійності технічних систем і процесів, систематизовано напрацювання провідних фахівців у зазначеному питанні, зокрема, H. Arasawa, J.Bendat, A. David, D. Tabor, А.Пронікова та ін., на основі чого зроблено висновок про необхідність виявлення природи пошкоджень елементів струменеформуючої системи.

Оскільки нині єдиного підходу до визначення надійності процесу гідроабразивного різання не існує, значний науково-практичний інтерес являє пошук функціональної обумовленості та адекватного математичного опису ймовірності виникнення відмов, ідентифікація якого дозволить запропонувати нові технічні рішення з підвищення сталості процесу гідроабразивного різання та знизити втрати від браку.

У другому розділі подано обґрунтування загальної схеми формування відмови процесу гідроабразивного різання; на основі аналізу явищ пошкодження елементів струминної системи та моделювання двофазного гідродинамічного потоку в його взаємодії з перепоною запропоновано вираз для оцінки безвідмовності процесу і визначені початкові розсіювання параметрів.

Показано, що формування гідроабразивного струменя, який є інструментом і від геометричних і енергетичних параметрів якого залежить точність, якість та надійність обробки можна вважати, певною мірою, невизначеною, оскільки захоплювання та перемішування абразиву, формування градієнтів швидкостей дискретних мас абразивних частинок, і, відтоді, зон зношування калібрувальної трубки та сопла носять стохастичний характер. Зношування окремих елементів, що формують швидкоплинний двофазний потік, відбувається з різною динамікою, тому для збереження надійності процесу нехтують їх залишковим ресурсом, проводять передчасну заміну, що значно здорожує обробку, оскільки такі елементи є коштовними (від 1000 до 5000 грн.). Впливають на надійність процесу і несталості подачі абразиву. Отже, вплив основних складових гідроабразивної системи на продуктивність, точність і якість обробки пояснюється структурною схемою (рис.1.)

Зношувальні явища у соплі, калібрувальній трубці та змішувальній камері, які не мають чіткого детермінованого характеру 1,2 (рис. 1.) і обумовлені також похибками виготовлення і складання елементів, викликають появу параметричних відмов, які проявляються у зменшенні понад критичний рівень продуктивності процесу Q_p, точності обробки T_b та її якості (4,5), наприклад, за параметром шорсткості Rа, мкм (рис. 1.), причому час настання відмови Т_в є математичним сподіванням прояву цієї події з певним рівнем ймовірності.



Рис. 1. Вплив явищ випадкового характеру та зношування на параметри процесу гідро-абразивного різання

Іншим чинником, який, окрім параметричної, може викликати раптову власну відмову, є несталість ежектування абразивних зерен 3 (рис. 1.), яка призводить до перевитрат потужності (коли до зони обробки направляється перевищена маса абразивних частинок) або до унеможливлення процесу різання взагалі (внаслідок неповного прорізання заготовки). Власну відмову викликають і раптові процеси пошкодження самого сопла.

Таким чином, формування власних або параметричних відмов процесу гідроабразивного різання є наслідком ряду випадкових та повільно плинних процесів, які пов'язані із умовами формування різального струменя і які безпосередньо визначають вихідні показники якості оброблюваної заготовки.

Для процесу гідроабразивного різання відмова - це подія, внаслідок якої розділювальні операції унеможливлюються або їхня якість не задовольняє замовника. Оскільки реалізація процесу гідроабразивного різання передбачає розділювальні операції листових заготовок, то власна відмова процесу станеться тоді, коли заготовка не буде прорізана на повну глибину і виникнуть ділянки неповного прорізання, (h_z>h). Отже, умовою настання власної відмови з ймовірністю f_h(t) буде нерівність , де - коригована швидкість подачі.

Параметрична відмова відбудеться, коли показники якості обробки, що забезпечуються процесом, не будуть відповідати допустимим вимогам, тобто

,

швидкозношувальний струменеформуючий ресурс

де - допустима шорсткість поверхні; - допустима ширина різання; - допустима собівартість обробки.

Елементами, які піддаються явищам зношування і які безпосередньо визначають як глибину різання h_p, так і інші показники якості, є сопло та калібрувальна трубка варістю С_d та C_D грн. відповідно (з параметрами d_c, витратною характеристикою , та D_k). Процеси зношування для цих елементів протікають з різною інтенсивністю, відповідно, різними є періоди стійкості T_d та T_D.

Оскільки такі елементи виготовляють із природних або синтетичних надтвердих матеріалів, їх вартість є однією з основних складових собівартості обробки і становить біля 50% цього показника.

Доля собівартості W, грн., яка залежить від зазначених елементів, визначиться як

,

де t₀ - операційний час, с, що залежить від швидкості робочої подачі s_p, мм/с, та довжини контуру L_k, мм, при обробці однієї заготовки, . Тоді умова відсутності браку набуде вигляду:

,

де С_з - собівартість заготовки, грн, тобто для передування виникнення браку лімітуючу стійкість слід зменшити на час ,год.

Отже, збільшення вартості заготовки обумовлює необхідність зменшувати нормований час ресурсу; зменшення собівартості обробки можливе у разі, коли кожен елемент працює до повного вичерпування власного ресурсу (відмова за d_c або D_k).

Для визначення прогнозованого періоду стійкості T_d та T_D. проаналізовано загальну схему виникнення відмови процесу.

Процесу матиме нормальний хід у випадку, якщо не буде перевищений допуск на виконуваний розмір Т_b, мкм, а робоча подача s, мм/хв, забезпечуватиме повне прорізання матеріалу товщиною h, мм, тобто продуктивність процесу Q, мм³/хв., буде знаходитися у встановлених межах.

Безвідмовність гідрорізної системи з огляду на вищезазначене, буде:

,

де - ймовірність безвідмовної роботи калібрувальної трубки; - ймовірність безвідмовної роботи сопла; - ймовірність безвідмовної роботи змішувальної камери.

Використовуване сопло виготовлене із надтвердого квазікрихкого матеріалу і може вийти з ладу як внаслідок прояву зношувальних явищ, так і раптово, коли гідродинамічне навантаження або випадковий механічний вплив від дії частинок бруду в досопловому просторі призведе до появи критичних напружень, внаслідок чого початкові дефекти матеріалу сопла стають центрами розвитку мікротріщин, що у подальшому підтверджене мікроелектронним аналізом стану цього елементу. Оскільки, відповідно до положень лінійної механіки руйнування, швидкість вивільнення енергії через береги тріщини визначається як

,

де - коефіцієнт інтенсивності напружень, для даного класу матеріалів швидкість V зростання берегів тріщини обумовлена різницею , де R - опір розтріскуванню, може сягати V=500…600 м/с, тобто руйнування тіла розміром 3,5 мм відбудеться за час 3…5 мкс - практично миттєво. Таким чином, поступове зношування і крихке руйнування відбуваються як незалежні події, тоді безвідмовність становитиме: .

Калібрувальна трубки сприймає гідродинамічне та механічне навантаження від дії швидкорухомих частинок абразиву, які вводяться у потік рідини за зрізом сопла. Причина виходу із ладу калібрувальної трубки - зростання калібрувального отвору D_k понад встановлений граничний розмір, обумовлений виконуваними розмірами, та сколювання крайки, внаслідок чого змінюється геометрія сформованої канавки різу. Це пошкодження обумовлене зношувальними явищами, однак, на відміну від сопла, початкові дефекти не призводять до миттєвого виходу з ладу, і трубка певний час ще працює. У цьому випадку відмова цього елементу є складною подією, яка описується виразом , а безвідмовність, відповідно до , визначиться: . Загальна безвідмовність роботи системи становитиме:

. (1)

З урахуванням того, що прояв поступових відмов є наслідком протікання процесів зношування і ймовірність безвідмовної роботи визначиться як , а настання випадкових відмов, виходячи із фізичних закономірностей, підкоряється експоненціальному закону , можемо записати рівняння для оцінки безвідмовності процесу із урахуванням надійності подачі абразиву:

(2)

Складові (2) подані у табл.1

Таблиця 1- Параметри що ідентифікуються в формулі (2)

Параметри	Значення	Параметри	Значення	Параметри	Значення
	Гранична величина діаметра сопла		Розсіювання початкових значень діаметрів сопел		Гранична величина діаметра калібрувальної трубки
	Середній діаметр сопла		Розсіювання параметру швидкості зносу сопла		Середній діаметр калібрувальної трубки
	Швидкість зносу сопла		Розсіювання початкових значень діаметрів калібрувальних трубок		Потік відмов калібрувальних трубок
	Швидкість зносу калібрувальної трубки		Розсіювання параметру швидкості зносу калібрувальної трубки		Потік відмов сопел

Явища зношування сопла і отвору калібрувальної трубки у загальному вигляді є незалежними.

Вони мають різну інтенсивність, отже, досягнення критичного рівня кожного із параметрів (d_c та D_k) буде відбуватися у різні моменти часу (рис. 2).

Причиною настання відмови внаслідок повільнопротікаючих процесів буде зазвичай одна із подій.

Таким чином, закон розподілу ймовірності настання параметричної відмови Р(t) за показником h_m буде безпосередньо визначатися ймовірністю прояву значення d_c або D_k, що перевищили критичний рівень своїх значень.



Рис. 2. Виникнення відмов струменеформуючої системи з урахуванням раптових відмов її елементів

Для визначення початкових відхилень параметрів струменя від очікуваних значень проведено аналіз початкових геометричних похибок складання елементів струменеформуючої системи. Внаслідок всіх відхилень, які присутні в реальній струменеформуючій системі, формується несиметричний потік, який обумовлює збільшення ширини різу, шорсткості крайки, і веде до появи браку.

Розглядаючи похибки та просторові відхилення у спряженнях елементів струменеформуючої системи, встановлено, що повна лінійна похибка визначиться як

, (3)

що дає змогу записати , де - стовпець похибок вихідного структурного елемента системи; - стовпець похибок k-го елемента; - матриця передатних відносин похибок k-го елемента до викликаного ним похибок положення вихідного елемента струменеформуючої системи.

Для розв'язання рівняння (3) визначено геометричні параметри елементів струменеформуючого пристрою та встановлено таке. Середнє очікуване відхилення мм, межові значення - 0,04…0,29 мм. Від взаємного розташування осі сопла і калібрувальної трубки залежить розподіл абразивних частинок за перетином струменя та інтенсивність зношування каналу.

Далі розглянуто особливості формування гідроабразивного потоку у калібрувальній трубці, як процесу змішування ежектованих повітрям частинок зі струминним потоком з наступним його спрямленням. Аналіз формування струменя виконано на основі математичного моделювання у середовищі FlowVision.

Граничні умови визначили за натіканням струменя на поверхню, якою є внутрішня циліндрична поверхня калібрувальної трубки, вісь якої повернута відносно осі сопла на кут ₂ (рис. 3).

Рис. 3. Утворення похибок в інструменті

Масоперенос встановлювали, виходячи з рівняння Стокса, що визначає силу опору частинки у потоці

,

де - коефіцієнт витрати рідини через сопло; - діаметр сопла, та за М_а - масовою витратою абразиву, кг/хв. Оскільки при введенні частинок абразиву у потік рідини можливе закручення, швидкість (м/с) задавали з компонентом - швидкістю руху від центру до периферії.

При моделюванні встановлено, що залежно від напрямку та швидкості s_p руху подачі, механізму руйнування матеріалу та утворюваних при цьому сходинок різання, на крайці калібрувальної трубки можливі випадки виникнення ударних гідродинамічних явищ, обумовлених хвильовими процесами у самому струмені в момент натікання його на перепону.

Ці явища викликають короткочасне (тривалістю Т_п?0,1 с) навантаження окремих ділянок крайки площею 0,005...0,01 F_Dk. з середнім рівнем тиску р_п=40…50 МПа (для кутів нахилу фронту гідрорізання р/12 … р/18) (рис.4).

Рис. 4. Графіки зміни швидкості та тиску в струмені при натіканні струменя на перепону

Внаслідок цього виникає зміна напрямку руху абразивних частинок і вони починають рухатися прискорено до стінки, набуваючи на шляху r_a швидкості v_r, що дорівнює .

Визначивши у такий спосіб тангенціальну (направлену до стінки) та нормальну (за балансом енергії потоку) швидкість руху частинок, побудували діаграму зношування крайки калібрувальної трубки і встановили, що відхилення від круглості отриманого перетину крайки калібрувальної трубки задовільно описується рядом Фур'є з трьома значущими гармоніками; зміна умов натікання струменя на перепону змінює орієнтацію променів відхилень, які функціонально пов'язані із орієнтацію відхилення струменя площинкою струминної ерозії; більші відхилення, обумовлені більшим перепадом тиску, властиві умовам натікання струменя на перепону під більшими кутами.

Для визначення функціонального зв'язку вихідних показників якості обробки з параметрами струменя прийняли до уваги, що усереднена швидкість витікання рідини з сопла , м/с, визначається як

,

а довжина компактної (початкової) частини струменя -

.

Оскільки зазвичай мультиплікаторна система працює з повним вичерпуванням корисної потужності, зростання отвору сопла супроводжується падінням тиску рідини р_b і, відповідно, швидкості руху зерен v_a. При цьому зменшується різальна здатність струменя, змінюються умови ежекції абразивних частинок, зростає ширина борозенки з b_о до b_i. Обробка буде неможливою по досягненню h_крит та b_max.

Виконавши розрахунок умов течії рідини через протокову частину, а також проаналізувавши спрямлення потоку калібрувальною трубкою, отримано рівняння, що пов'язує геометричні пераметри борозенки різа із D_k та d_c:

.(4)

Площа , мм², визначає глибину різання та ширину борозенки різа (рис. 5). При прийнятті припущення, що ширина D_k = b_i, маємо змогу визначити зменшення глибини різання при зростанні отвору калібрувальної трубки.

Рис. 5. Схема виникнення прорізання матеріалу та зменшення глибини при зростанні отвору калібрувальної трубки

Оскільки у першому наближенні фігури перетинів можна вважати тотожними і такими, що визначаються шириною борозенки різа (тобто діаметром отвору калібрувальної трубки D_ki та глибиною h_i, маємо, що , де h_max - розрахована глибина різання, визначена при встановленні рекомендованої швидкості контурної подачі, тобто , що дає змогу визначити максимальний розмір калібрувальної трубки, при якому наскрізне прорізання матеріалу почне припинятися:

. (5)

Таким чином, пошкодження калібрувальної трубки, яке проявляється у зношуванні проточної частини зі збільшенням діаметру отвору D_k, веде до збільшення ширини різа b_r, зі зниженням глибини різання h і погіршенням якості крайки.

Після встановлення величин початкових розсіювань параметрів та допустимих меж змін D_k та d_c, проведено моделювання безвідмовності процесу, в результаті чого було встановлено, що розподіл часу настання відмови як випадкової величини може бути апроксимований законом Гауса із математичним очікуванням часу виходу з ладу, встановленим за середніми параметрами струминної системи, наприклад, за умови першочергового виходу з ладу сопла хв, або законом Вейбула-Гнеденко за умови, що час стійкості визначається як .

Для експериментальної перевірки теоретичних міркувань було винесено ряд гіпотез: пошкодження у соплі викликають власні та параметричні відмови; зношення калібрувальної трубки викликає переважно параметричні відмови; несталості подачі абразиву ведуть до виникнення раптових власних відмов; геометричні похибки соплового вузла обумовлюють розсіювання як початкових параметрів, так і інтенсивності протікання зношування калібрувальної трубки, яке нерівномірне, залежить від напрямку руху струминної головки гідрорізного верстата; ймовірність настання відмови у струменеформуючій системі при врахуванні виникнення як раптових, так і поступових відмов, задовільно апроксимується відомими законами.

У третьому розділі подано результати експериментального дослідження пошкодження елементів струменеформуючої системи та зміни вихідних параметрів якості крайки у функції залишкового ресурсу. Дослідження виконувалися на діючому обладнанні при гідрорізанні ряду конструкційних матеріалів: сталі 40Х, склопластику СВА, сталі Х18Н10Т. Режими різання призначали, виходячи з рекомендацій виробника гідрорізного устаткування. Визначали початкове розсіювання параметрів на основі 50 вимірів. Для контролю стану сопла та калібрувальної трубки використовували растрову електронну мікроскопію.

Було доведено, що просторові похибки складання елементів струменеформуючої системи викликають нерівномірне зношування калібрувальної трубки, чим погіршується умови формування різального струменя та інтенсивність процесу струминно-абразивного різання. Відхилення осей спряжених деталей на зрізі калібрувальної трубки становить 0,18 мм (0,04…0,29 мм), а крайки калібрувальної трубки - 0,58 мм (0.27…0.98 мм).

Настання параметричної відмови сопла, яке проявляється у виході за допустиму межу діаметра отвору струменеформуючого каналу, відбудеться після гарантованого періоду стійкості Т_с=16,70 год., з розподілом щільності ймовірності , а відмови калібруючої трубки - протягом часу Т=26,11 год., причому розподіл щільності ймовірності матиме вигляд . Це підтверджує тотожність природи відмов, яка обумовлюється переважно повільно протікаючими явищами зношування. Настання випадкової власної відмови сопла (як наслідку раптового пошкодження або закупорювання) задовільно підкоряється експоненціальному закону з параметром _dc=0,05547. Оскільки час стійкості сопла значно менший за час стійкості калібрувальної трубки, суттєвої похибки при оцінці ймовірності безвідмовної роботи гідрорізної системи за запропонованим рівнянням (2) не виникає. Розвиток пошкоджень задовільно описується регресійними рівняннями: при початкових розсіюваннях діаметра та , при D_k=1,043 мм з дисперсією розміру мм, а .

Значимість коефіцієнтів регресійних рівнянь перевірена за допомогою t-критерію Стьюдента, а однорідність дисперсій серій паралельних досліджень - за допомогою G-критерія Кохрена. Спрямлені криві статистичних розподілів перевіряли за допомогою - критерію, значущому для невеликих обсягів статистичної вибірки (понад 30 спостережень).

Падіння тиску в засопловій камері з номінального 400 МПа до критичного 150 МПа за час стійкості відбувається практично рівномірно.

Доведено гіпотезу щодо залежності інтенсивності зношування калібрувального каналу в певному перерізі напрямком сталого руху струменеформуючої системи та встановлено, що між ступенем нерівномірності зношення каналу та відносною довжиною однонаправленого руху існує кореляційний зв'язок .

Зменшення вартості обробки, виходячи із отриманих результатів можливе за умови повного використання ресурсу кожного із елементів із врахуванням запасу по надійності, визначеного за відповідними значеннями параметрів моделей.

В четвертому розділі наведено відомості про удосконалення конструктивних елементів гідрорізних верстатів та алгоритмів керування робочими органами для поліпшення якості відтворення заданої форми.

Розроблений прилад визначення геометричних параметрів струменя шляхом зняття гідродинамічної характеристики за допомогою просвічування потоку лазерним променем низької потужності з фотофіксацією плями за допомогою ПЗЗ-матриці. Використання такого приладу дозволило, не зважаючи на широкий часовий діапазон Т_крит-Т₀, точно визначати динаміку розвитку пошкодження г_D та г_d і встановлювати запас надійності як (D_k-D_i); (d_с-d_і), або час до прогнозованого настання відмови як при першочерговому пошкодженні калібрувальної трубки, або при першочерговому пошкодженні сопла.

Дослідженнями установлено, що отримати задовільну картину просвіченого крізь робочий струмінь випромінювання не вдалося, оскільки наявність частинок абразиву призводила до того, що відчутною була шумова емісія.

Перевірка рівня кореляції між ступенем зношування і зміною форми (параметри а, b) та інтенсивності (І) плями розподілу (рис. 6) показала, що такий зв'язок слабо визначений, за винятком параметру І, для якого r_І-h = - 0,763 і який обумовлений розсіюванням випромінювання внаслідок зростання діаметру отвору калібрувальної трубки від D_knom до D_kmax. Зазначене явище пояснюється тим, що зростання оболонкової частини струменя та сповільнення руху частинок абразиву збільшує розсіювання променя та частково змінює його напрямок.

Було прийняте рішення про проведення діагностики в момент, що передує початку роботи гідрорізної системи, тобто коли у струменеформуючу систему надходить рідина під попереднім тиском 0,4±0,015 МПа, що забезпечується регулятором тиску магістралі живлення.



Рис. 6. Схема вимірів перерізу струменя за допомогою оптичного квантового генератора (ОКГ)

Встановлено, що залежність інтенсивності випромінювання (I₁, Вт/мм²) від зносу калібрувальної трубки задовільно описується лінійною моделлю, яка для витрати М_а=0,7 кг/хв має вигляд I₁ = 5,99 - 2,95•D_k (з рівнем значимості 96,67%), а для витрати М_а=0,3 кг/хв - I₂ = 7,14 - 3,56•D_k (з рівнем значимості 98,74%).

Дослідження зношення соплового насадку показало, що більш адекватною є квадратична модель виду I = 0,710 + 17,16•d_с-28,64•d_с² (з рівнем значимості 98,82%). Отримані результати в цілому задовільно узгоджуються з фізичною сутністю явищ та за результатами досліджень.

Розроблено методику прогнозування надійності, в основу якої покладене припущення про те, що зниження собівартості обробки W_ш можливе лише при повному вичерпанні ресурсу як сопла, так і калібрувальної трубки.

Тобто, зважаючи на те, що стійкість Т_с та Т_т двох елементів - сопла і трубки, що в цілому визначають надійність обробки, відрізняються поміж собою, робота обладнання буде здійснюватися з почерговою заміною то одного, то іншого елементу, залежно від того, який раніше досягне свого критичного зношування (d_крит, D_крит).

Послідовна заміна елементів має сенс у тому випадку, коли період між двома найближчими замінами все ще залишається значним і таким, що дозволяє виконати обробку партії заготовок.

Для передування виникнення браку час стійкості Т_о зменшують на величину , де , де С₃ - вартість заготовки; С_D , С_d - вартість калібрувальної трубки та сопла відповідно, грн; t₀ - операційний час, що визначається швидкістю робочої подачі s_p та довжини контуру L_k при обробці однієї заготовки: .

Створено нове технічне рішення обертової головки для максимального використання ресурсу калібрувальної трубки.

Висновки

У дисертаційній роботі наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-технічної задачі забезпечення надійності процесу гідроабразивного різання, яке вбачається в розробці математичної моделі для прогнозування очікуваного часу безвідмовного функціонування та у принципі автоматизованого визначення залишкового ресурсу елементів струменеформуючої системи, у створенні за допомогою пропонованого нового технічного рішення умов максимального використання ресурсу.

За результатами дисертаційної роботи сформульовано такі висновки.

1. Виконано аналіз елементів струменеформуючої системи, які обумовлюють надійність функціонування та стабільність процесу гідроабразивного різання, та доведено, що головною причиною як параметричних, так і власних відмов є пошкодження елементів струменеформуючої системи, що проявляються у збільшенні діаметра протокової частини сопла понад 0,55 мм та отвору калібрувальної трубки понад 1,7 мм, тобто в середньому на 50% від нормованих параметрів.

Настання параметричної відмови обумовлене явищами зношування як сопла, так і калібрувальної трубки, причому стійкість сопла становить Т=16,70 год, а калібрувальної трубки Т=26,11 год (для компонентів, виготовлених і використовуваних у вітчизняному гідрорізному обладнанні типу ГАР-400). Зношування калібрувальної трубки зазвичай супроводжується зростанням діаметра струменя і при однаковій питомій потужності різко скорочується проникненість гідроабразивного струменя в оброблюваний матеріал (у 2-3 рази) з одночасним пропорційним зростанням ширини борозенки різа у 2…2,5 рази. Формування гідроабразивного струменя внаслідок початкових похибок виготовлення, які призводять до неспіввісності сопла та калібрувальної трубки у межах 0,15…0,2 мм відбувається з порушеннями прогнозованої довжини початкової ділянки, що призводить до нерівномірного зношування каналу трубки, яке при різанні за різними напрямками обумовлює нерівномірну ширину борозенки різа.

2. Вперше на основі аналізу явищ взаємодії швидкоплинного потоку малого діаметра з ежектованим повітряно-твердофазним потоком абразивних частинок та наступним прямуванням робочого струменя до оброблюваної поверхні виявлено особливості механізму пошкоджень струменеформуючих елементів та встановлено, що параметричні відмови обумовлені явищами зношення каналів, а власні - раптовим сколюванням сопла або його розтріскуванням. Потік інтенсивності відмов становить 0,015 год^-1, що в цілому суттєво не впливає на очікуваний період стійкості даного елементу. Доведено, що зношування каналу калібрувальної трубки, внаслідок чого переріз каналу набуває форми трьохпроменевого еліпсу, обумовлюється переважаючим напрямком контурної подачі, і задовільно описується рядом Фур'є з трьома гармоніками виду .

3. Розроблено модель безвідмовності процесу гідроабразивного різання, визначено її основні параметри та доведено, що швидкість протікання зносних явищ, як і розсіювання ансамблю реалізацій, нелінійно змінюється у часі; запропоновані відповідні залежності для визначення залишкового ресурсу при відомих межах змін параметрів. Експериментально доведено, що ймовірність настання відмови як сопла, так і калібрувальної трубки підкоряється закону Вейбула-Гнеденко, з параметрами _c=0,798 год^-1, в_с=1,1 та _к=0,711 год^-1, в_к=1,4 (відповідно) при очікуваному періоді стійкості Т_с та Т_k відповідно. Це підтверджує тотожність природи відмов, яка обумовлюється переважно повільно протікаючими явищами зношування. Настання раптової власної відмови сопла задовільно підкоряється експоненціальному закону з параметром _dc=0,05547 год^-1.

4. Розроблено методику визначення очікуваних показників якості крайки (ширини різа та допуску на ширину) залежно від залишкового ресурсу елементів струменеформуючої системи; показано, що параметри макрогеометричної точності визначаються ресурсом калібрувальної трубки, у той час як мікрогеометрія - переважно змінами, що відбуваються у струменеформуючому соплі. Встановлено закони розподілу термінів служби швидкозношувальних елементів струменеформуючої системи. Для калібрувальних трубок вітчизняного виробництва та фірми Roex Flow визначено основні параметри просторових відхилень та залежності, що описують інтенсивність зношування у функції тиску рідини, отвору струменеформуючого сопла та витрати абразивних зерен. Із використанням положень теорії надійності складних технічних систем отримано аналітичний вираз для розрахунку надійності процесу гідроабразивного різання, обумовленого пошкодженнями елементів струменеформуючої системи та визначено його параметри для гідрорізних систем вітчизняного виробництва.

6. Розроблено нові технічні засоби для підвищення надійності гідрорізної системи шляхом максимального використання ресурсу цих елементів при додержанні вимог із якості. Запропоновано принцип контролю стану та залишкового ресурсу струменеформуючого сопла, який базується на оцінці плями розсіювання просвіченого крізь потік плями від оптичного квантового генератора низької потужності променя, фіксованого ПЗЗ-матрицею, розроблено алгоритм проведення діагностичних вимірів. Подано економічне обґрунтування запропонованих нових технічних рішень, впроваджених у діюче виробництво на серійні гідроабразивні верстати ГАР-400 (м. Черкаси, НВФ «Родень»). Отримано патент на корисну модель. Економічний ефект від впровадження у виробництво нового технічного рішення струминної головки становить 90000 грн.

Список друкованих ПРАЦЬ, ЗА ТЕМОЮ ДИСЕТРАЦІЇ

1. Саленко О.Ф. Використання оптичних пристроїв на базі когерентного джерела випромінювання як датчиків контролю для гідрорізного обладнання / О.Ф.Саленко, В.О. Дудюк // Промислова гідравліка і пневматика. - Вінниця, 2007. - вип. №4(18) с.85-90. (Встановлено можливість використання оптичних пристроїв на базі малопотужного ОКГ для контролю швидкоплинного струменя).

2. Саленко О.Ф. Поширення принципів опису компонувальних структур на гідрорізне обладнання / О.Ф. Саленко, В.Г. Доценко, А.М. Федотьєв, О.М. Бєлкін, О.М. Мана, В.О. Дудюк, В.О. Сербін // Вісник КДПУ ім. М.Остроградського. - Кременчук: КДПУ, 2008(48). - вип. 1, ч.1 с. 55-66. (На основі аналізу структур гідрорізного обладнання, встановлено перспективні верстати, сформульовано вимоги до них з метою розширення технологічних можливостей і підвищення якості обробки).

3. Драгобецкий В.В. Напряженно-деформированое состояние нагретой заготовки из композита при натекания потока жидкости / В.В. Драгобецкий, А.Ф. Саленко, В.А. Дудюк, Н.М. Пилипенко // Вісник КДПУ ім. М.Остроградського. - Кременчук: КДПУ, 2009(55). - вип. 2, ч.1 с. 24-26. (Змодельовано термічний напружений стан шаруватого композиту в умовах інтенсивного локального тепловідводу).

4. Дудюк В.О. Аналіз розподілу потужності випромінювання оптичного квантового генератора (ОКГ) у потоці рідини малого діаметра / В.О. Дудюк, О.Ф. Саленко // Вісник НТУ КПІ 2009 №(57) с. 148-152.(Встановлено вплив режиму руху рідини на зміну інтенсивності променя ОКГ в точці на тікання на перепону)

5. Саленко A.Ф. Иследование струйно-лучевого воздействия на поверхности твердых тел / A.Ф. Саленко, А.В. Луговой, В.А. Дудюк, О.Ю. Безворитный // Вісник КДПУ ім. М.Остроградського. - Кременчук: КДПУ, 2009(59). - вип. 6, ч.1 с. 80-85. (Запропоновані можливі варіанти введення променя лазера в струмінь рідини).

6. Фомовська О.В. Аналіз процесу формоутворенні при гідроабразивному різанні на основі енергетичних моделей руйнування / О.В. Фомовська, О.Ф. Саленко, О.М. Мана, В.О. Дудюк, В.О. Сербин, Н.М. Пилипенко // Наукові нотатки. - Луцьк: 2009. - вип.25, ч.2 с.304-311. (Запропонований новий метод оцінки товщини деструктивного шару, що виникає на поверхні різання та враховує вплив рідкої та твердої фази)

7. Саленко О.Ф. Формування деструктивного шару на крайках оболонкових виробів із неметалевих композитів при гідро- та гідроабразивному різанні / О.Ф. Саленко, О.В. Фомовська, В.О. Дудюк // Вісник НТУУ «КПІ», 2010, № 59. - с.104-109. (Проведено порівняльний аналіз впливу різних методів обробки та технологічних факторів на поверхню композитних матеріалів).

8. Саленко А.Ф. Об эфектах струйно-лучевого воздействия на поверхность твердых тел / А.Ф. Саленко, А.Н. Мана, В.А. Дудюк // Международная научная конференция УНИТЕХ 09. - Габрово: 2009 - т.2 с.212-217. (Отримано гістограми розподілу інтенсивності лазерного випромінювання в швидкоплинному струмені рідини на оброблюваній поверхні).

9. Salenko A. The energetic approach for analysis of form-building at hidro abrasive engraving / A. Salenko, V. Docenko, A. Mana, V. Dudyuk, N. Pilipenko. // Известия на техническия университет - Габрово, т. 37, 2009. - с. 22-25. (Змодельвано гідроабразивне різання на основі енергетичної моделі процесу різання).

10. Salenko A.F. About some results of exploration of water jet guided laser onto the solids'surface / A.F. Salenko O.V. Fomovska, V.A. Dudyuk, O.M. Mana // Unitex - 10: International scientific conference 2010, Gabrovo, 2010. - P. 414-421. (Запропонована схема технологічного налагодження струминно-променевого впливу для різання листових матеріалів).

11. Саленко О.Ф. Визначення поверхневого деструктивного шару при обробці конструктивних неметалевих композитів і його впливу на механічні властивості виробів О.Ф. Саленко, В.В. Драгобецький, О.В. Фомовська, В.О. Дудюк, О.М. Мана // Вісник КДУ ім. М.Остроградського. - Кременчук: КДУ, 2010. - вип. 1, ч.1 с. 82-90. (Визначено особливості формування деструктивного шару в композитних матеріалах при різних методах обробки).

12. Дудюк В.О. Аналіз динамічного навантаження елементів зони гідрорізання із використанням прикладного пакету Flow Vision / В.О. Дудюк // Вісник КДУ ім. М.Остроградського. - Кременчук: КДУ, 2010. - вип. 6/2010(65), ч.1 с. 59-62.

13. Раньковський С.В. Використання ефектів струменево-променевого впливу для обробних технологій та засоби автоматизації процесів / С.В. Раньковський, О.Ф. Саленко, В.Т. Щетинін, В.О. Дудюк, Р.Г. Аргат // Вісник КДУ ім. М.Остроградського. - Кременчук: КДУ, 2010. - вип. 6/2010(65), ч.1 с. 78-82. (Встановлено можливість моніторингу зони гідро абразивного різання та розроблено технічні засоби для контролю кута стікання відпрацьованої рідини).