Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Підвищення надійності свердління електроінструментом глибоких отворів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасне машинобудування характеризується широким використанням електроінструменту - індустріального, промислового і професійного класів, що підвищує ефективність обробки і знижує собівартість продукції, однак вимагає при цьому забезпечення високої надійності і продуктивності.

Найбільшу долю серед електричних машин займають свердлильні машини. При виготовленні великогабаритних корпусних деталей, наприклад, станин важких і унікальних верстатів, які не можуть бути встановлені і оброблені через їх конструктивні особливості на свердлильних або свердлильно-розточувальних верстатах, а також в умовах суднобудування і судноремонту, при свердлінні в закритих і важкодоступних зонах, використовується електроінструмент.

Процес свердління отворів, особливо глибоких, в важкооброблюваних матеріалах, до яких відносяться високоміцні, жаростійкі, неіржавіючі, титанові і інші високолеговані сплави, пов'язаний з необхідністю вибору інструментів, режимів і методів обробки, а також раціональних конструкцій електроінструменту. Дефекти, які супроводжують операцію свердління глибоких отворів, можуть виникати внаслідок відведення осі свердла від заданого напряму, вібрацій, що призводять до ограновування на поверхні оброблюваного отвору, а також змін силового навантаження на інструмент в процесі заглиблення, що приводять до поломок інструменту.

Значна частина параметричних відмов і відмов функціонування підсистем електроінструменту виникає унаслідок дій оператора, що безпосередньо бере участь в процесі обробки.

Підвищення надійності свердління глибоких отворів за допомогою електроінструменту на основі дослідження процесу обробки з врахуванням заходів, що приймаються на етапах проектування, відноситься до актуальних задач, вирішення яких підвищить продуктивність процесу і рівень функціональних властивостей виробів.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Севастопольському національному технічному університеті за планами науково-дослідних робіт кафедри технології машинобудування в межах науково-технічного співробітництва з філією кафедри ВАТ «Завод «Фіолент» і госпдоговірної теми №500/1556 від 27.08.07, в якій здобувач був виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення надійності свердління глибоких отворів електроінструментом за рахунок створення високоефективних підсистем і елементів на основі методів системного аналізу і синтезу.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Виконати аналіз існуючих методів удосконалення операції свердління глибоких отворів в важкооброблюваних матеріалах.

2. Розробити структуру технологічної системи процесу свердління електроінструментом.

3. Побудувати розмічені графи станів систем і підсистем для розрахунку надійності елементів в процесі свердління.

4. Розробити методику оцінки надійності системи електроінструменту і процесу свердління.

5. Розробити заходи щодо підвищення надійності процесу свердління глибоких отворів електроінструментом.

6. Виконати перевірку технічних рішень і розробити рекомендації по впровадженню результатів в промисловість.

Об'єкт дослідження - технічна система свердління глибоких отворів електроінструментом.

Предмет дослідження - функціональні зв'язки параметрів підсистем електроінструменту і режимів обробки з надійністю процесу свердління глибоких отворів.

Методи дослідження. У теоретичних дослідженнях використані методи системного аналізу. Метод морфологічного аналізу застосований для опису структур і характеристик підсистем і елементів електроінструменту. Методи теорії надійності, теорії ймовірності і теорії масового обслуговування використовувалися при дослідженні надійності і продуктивності електроінструменту при свердлінні; методи параметричного синтезу - при удосконаленні конструкції елементів електроінструменту. Експериментальні дослідження виконувалися з урахуванням фізичних особливостей процесу глибокого свердління з використанням сучасної вимірювальної техніки і статистичних методів обробки експериментальних даних. Достовірність теоретичних і експериментальних досліджень підтверджується результатами досвідчено-промислової перевірки, впровадженням у виробництво.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1) отримали подальший розвиток методи аналізу потоків відмов і відновлень при свердлінні глибоких отворів, їх обліку при проектуванні і експлуатації електроінструменту;

2) вперше встановлені закономірності впливу технологічних і конструктивних особливостей свердел і підсистем електроінструменту на експлуатаційну надійність при свердлінні глибоких отворів;

3) вперше встановлені взаємозв'язки між конструктивними елементами підсистем електроінструменту і технологічною надійністю процесу свердління глибоких отворів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблений алгоритм методики оптимізації структури і компоновки електроінструменту для підвищення надійності процесу свердління глибоких отворів в важкооброблюваних матеріалах. Створені нові конструкції пристроїв для свердління електроінструментом, що підвищують надійність процесу.

Розроблені нові елементи підсистеми електрообладнання електроінструменту, що забезпечують раціональні режими обробки при свердлінні глибоких отворів в важкооброблюваних матеріалах.

Результати дисертаційної роботи упроваджені в навчальний процес кафедри технології машинобудування СевНТУ і кафедри технології машинобудування Самарського державного технічного університету, а також на Сімферопольському ВАТ «Завод «Фіолент».

Особистим внеском здобувача при виконанні дисертаційної роботи є вибір напряму, методів і методик дослідження, безпосереднє проведення експериментів, а також узагальнення отриманих результатів. Внесок автора в роботи, виконані в співавторстві, полягав в особистій участі у всіх стадіях роботи - від постановки задачі, виконання теоретичних і експериментальних досліджень до впровадження.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати докладалися на міжнародних науково-технічних конференціях «Автоматизація: проблеми, ідеї, рішення», «Надійність і довговічність механізмів, елементів конструкцій і біомеханічних систем», «Проектування, виробництво і експлуатація автотранспортних засобів і поїздів», на міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих учених «Прогресивні напрями розвитку машиноприладобудівних галузей і транспорту», на VIII міжнародній науковій конференції і VI симпозіумі аспірантів «Technologiczne Systemy Informacyjne w Inzynierii Produkcji, Wspotczesne Technologie w Budowie Maszyn», на XVIII міжнародній науковій конференції «Engineering Design and Research of Automotive Vehicles and Machines Management and Marketing in Motorization».

Публікації. Опубліковано 8 наукових робіт, серед яких 3 статті в виданнях ВАК України, 2 статті в міжнародних науково-виробничих журналах.

Структура і обсяг дисертації. Вступ, чотири розділи основної частини, висновки, список використаних джерел, додатки; викладено на 165 сторінках, повний обсяг - 195, в тому числі 55 ілюстрацій, 30 таблиць, додатки на 13 сторінках, 111 найменувань використаних літературних джерел на 11 сторінках.

Основний зміст роботи

свердління електроінструмент отвір технологічний

У вступі обґрунтовується актуальність теми, формулюються мета і задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Приводиться рівень апробації роботи, особистий внесок здобувача і кількість публікацій.

У першому розділі на основі аналізу літературних джерел встановлена необхідність оптимізації конструкцій ЕІ, для свердління глибоких отворів. Дослідження процесів обробки глибоких отворів свердлінням, проведені рядом учених показує, що не вдається усунути ряд негативних явищ, наприклад, зміна силового навантаження на інструмент в процесі заглиблення, що призводить до розкручування свердла, відведення осі отвору і поломки інструменту. Вказані обставини породжують необхідність розробки методів підвищення надійності процесу свердління глибоких отворів при використанні ЕІ.

Аналіз математичних моделей процесу свердління глибоких отворів показує, що вони недостатньо повно відображають окремі аспекти комплексної проблеми підвищення якості обробки і описують сутність процесів, що відбуваються в системі. Так, не розглянуті питання підвищення надійності процесу свердління глибоких отворів з використанням ЕІ в важкооброблюваних матеріалах.

Аналіз процесів механічної обробки і технологічного устаткування дозволив зробити висновок про можливість оцінки надійності за допомогою розмічених графів станів і визначення параметрів потоків відмов і відновлень, розрахунків ймовірності відмов і безвідмовної роботи з подальшою структурною і параметричною оптимізацією ЕІ для свердління глибоких отворів в важкооброблюваних матеріалах.

У другому розділі «Теоретичні дослідження надійності технічної системи ЕІ і процесу свердління глибоких отворів» розроблена загальна модель формування раціональної системи ЕІ.

При синтезі раціональної системи ЕІ з метою підвищення надійності доцільно використовувати методи структурної оптимізації, що включають морфологічний аналіз системи ЕІ; оцінку надійності підсистем ЕІ з використанням розмічених графів станів; виявлення найменш надійних елементів; розробку заходів щодо підвищення надійності елементів і підсистем; виявлення причин параметричних відмов процесу свердління; розробку заходів щодо підвищення технологічної надійності процесу свердління глибоких отворів.

В результаті проведеного морфологічного аналізу побудована морфологічна матриця. Система ЕІ декомпозована на чотири підсистеми, що складаються з певної кількості елементів: корпус, привод, інструмент і електрообладнання.

За допомогою морфологічної матриці синтезовано чотири варіанти структур ЕІ:

1) ; 2) ;

3) ; 4) .

Для оцінки варіантів вибраних структур розглянуті особливості виникнення відмов функціонування і параметричних відмов. Кожен елемент системи ЕІ має різні інтенсивності відновлення µ і різні інтенсивності відмов л, тобто різну надійність.

Технологічна система «Процес свердління» розглянута як фізична дискретна система, яка може знаходитися в станах S₀ - нормальне функціонування ЕІ за відсутності відмов, S₁ - відмова приводу, S₂ - відмова інструменту, S₃ - відмова корпусу, S₄ - відмова електрообладнання, S₅ - параметрична відмова по точності і якості обробки поверхні.

Для опису графа станів технологічної системи позначені ймовірність її знаходження у кожному стані P₀, P₁, P₂, P₃, P₄, P₅.

Стан процесу описується сукупністю рівнянь фінальних ймовірностей, вирішення якої з використанням умови нормування , дозволяє виявити найменш надійну підсистему:

Далі за аналогією проводиться аналіз кожної з підсистем технологічної системи і виявляються найменш надійні елементи.

З урахуванням проведеного аналізу експлуатаційної надійності технологічної системи для оцінки технологічної надійності розглянуті особливості виникнення параметричних відмов процесу свердління.

Для отримання даних по потоках параметричних відмов в процесі свердління глибоких отворів електроінструментом проведені аналіз і теоретичні дослідження причин їх виникнення.

У зв'язку з тим, що в процесі свердління інструмент відчуває складний опір було проведено дослідження напружено-деформованого стану свердла з урахуванням цих факторів.

По формулі Ейлера найдена критична сила свердла.

де Е - модуль пружності матеріалу свердла; J_min - мінімальний осьовий момент інерції поперечного перетину свердла; ЕJ_min - згинаюча жорсткість свердла; н - коефіцієнт приведення довжини; l - довжина свердла.

Для визначення мінімального моменту інерції поперечного перетину свердла приблизно розглядається перетин свердла як складної геометричної фігури, що складається з прямокутника і двох трикутників:

де - момент інерції прямокутника; - момент інерції трикутника відносно осі у; - момент інерції трикутника відносно осі y₁; D - висота прямокутника; d - ширина прямокутника; b₁ - висота трикутника; h₁ - ширина трикутника; F₁ - площа трикутника; a - відстань від осі перетину свердла до центру трикутника.

Допустиме напруження на стійкість обчислюється як

де F - площа поперечного перетину свердла; n_у - коефіцієнт запасу на стійкість; у_кр - критичне напруження.

Для виключення втрати стійкості необхідне виконання умови , де у_д - діюче напруження; . Отже, умова стійкості виконується.

При виключенні подовжнього вигину свердла повинна виконуватися умова міцності з урахуванням складного опору:

,

де ф - дотичне напруження при крученні; [у] = 160 МПа - допустиме напруження.

Напруження обчислюється таким чином:

,

де W_p - полярний момент опору поперечного перетину свердла; - максимальний крутячий момент при свердлінні ( = 26 Н·м). Для моменту опору слідує вираз , де J_p - полярний момент інерції поперечного перетину свердла, знаходиться як J_p = J_z+ J_y Момент інерції відносно осі z знаходиться за аналогією з обчисленим моментом інерції відносно осі у дорівнює

Полярний момент інерції дорівнює

отже Звідки

Еквівалентні напруження, обчислені згідно теорії міцності, не перевищують допустимих.

У разі вимушених подовжніх коливань вирішення диференціального рівняння

за граничних умов знаходиться як яке перетвориться до вигляду:

де щ - частота обертання свердла; Р₀ - амплітудне значення вібраційної дії; - коефіцієнт.

Згідно закону Гука нормальні напруження в цьому випадку

Наприклад, при x = l, t = 0 слідує вираз .

У разі вимушених крутильних коливань свердла по аналогії з подовжніми коливаннями кут закручування

і динамічні дотичні напруження

Таким чином, у зв'язку з вимушеними коливаннями, обумовленими вібраційним детермінованим навантаженням, мають місце змінні нормальні і дотичні напруження; при цьому сумарні еквівалентні напруження не повинні перевищувати допустимих. Для виключення відмов необхідно, щоб умови експлуатації не суттєво відрізнялися від дійсних запасів несучої здатності свердла.

Так само, однією з причин відведення є наявність поперечних коливань свердла, викликаних його обертанням і дією рук оператора під дією обертання шпінделя і маси ЕІ.

Контур перетину обробленої поверхні в результаті похибок форми у вигляді овальності і огранністі обкреслений періодичній кривій, рівняння якої в полярних координатах має вигляд Відобразивши помилку форми у вигляді функції і виключивши з розгляду помилку власного розміру, отримаємо помилку геометричної форми поперечного перетину отвору ДR:

де - коефіцієнти ряду Фурьє; - кут, що визначає точку виміру.

Амплітуда, що характеризує похибку . Амплітуда гармоніки другого порядку характеризує величину овальності Д₂ і пов'язана з нею співвідношенням Д₂ = 4. Амплітуда характеризує тригранність і так далі.

Причинами параметричних відмов по точності форми отвору в поперечному перетині є неточність позиціонування ЕІ, вібрації, а також тремор і вібрації рук оператора при роботі з електроінструментом.

Дослідження вимушених коливань виконане для системи «робоча частина свердла - хвостовик» без додаткового пристрою передачі крутячого моменту, і з додатковим пристроєм між робочою частиною свердла і хвостовиком.

Рівняння крутильних коливань свердла без додаткового пристрою і сил опору

де J₁ - момент інерції шпинделя електроінструменту відносно його подовжньої осі; J₂ - момент інерції хвостовика відносно його подовжньої осі; J₃ - момент інерції робочої частини свердла відносно його подовжньої осі; С₁ - коефіцієнт крутильної жорсткості шпинделя електроінструменту ; ц₁ - кут закручування шпинделя; ц₂ - кут закручування кінця хвостовика в площині з'єднання його з робочою частиною свердла.

З без врахування М_х при використанні частинних рішень у вигляді функцій слідує система однорідних рівнянь алгебри де А₁ - амплітуда коливань шпинделя; А₂ - амплітуда коливань хвостовика і робочої частини свердла:

В разі коливань визначник, складений з коефіцієнтів при амплітудах, дорівнює нулю:

звідки частоти власних коливань

Амплітуди знаходяться з системи рівнянь крутильних коливань свердла

де p - частота обертання шпинделя. Звідки B₁ = - 0,084, B₂ = - 0,044. Якщо між хвостовиком і робочою частиною помістити додатковий елемент, то система має три ступені свободи. Її вимушені коливання біля сталого положення динамічної рівноваги описуються наступною системою звичайних диференціальних рівнянь:

де ц₃ - кут повороту робочої частини свердла; С₂ - коефіцієнт крутильної жорсткості додаткового пристрою. Після підстановки частинних рішень в диференціальне рівняння амплітуди А₁ і A₂ знайдені з системи алгебричних рівнянь. Коефіцієнт крутильної жорсткості С₂ знаходиться з умови А₃ = 0, тобто амплітуда вимушених коливань робочої частини свердла дорівнює нулю.

Підставляючи С₂ в систему рівнянь крутильних коливань, знаходяться амплітуди

А₁ = -0.08, А₂ = -0,019, А₃ = -5,3·10^-12_.

У третьому розділі «Експериментальні дослідження надійності підсистем ЕІ при свердлінні глибоких отворів» для аналізу і експериментальної перевірки як найбільш перспективні варіанти вибрані структури ЕІ, синтезовані в процесі морфологічного аналізу.

Експерименти виконувалися в лабораторіях кафедри технології машинобудування СевНТУ і ВАТ «Завод «Фіолент». У виробничих умовах за допомогою збирання статистичного матеріалу, що фіксується на обкатувальних стендах, проведені дослідження параметрів потоків відмов ЕІ, структура якого відображує відповідні синтезовані варіанти. З метою моделювання цих схем в лабораторних умовах розроблений стенд на базі свердлильної машини.

Для визначення часу напрацювання на відмову робочого інструменту використовували також вертикально-свердлильний верстат 2А135 з динамометром для вимірювань крутячого моменту. Після відмови інструменту його досліджували за допомогою мікроскопів типів БМІ-1 і «Мир-2».

Для випробувань використовували свердла стандартні з швидкорізальної сталі Р6М5, спеціальні свердла підвищеної жорсткості із сталі Р9М4К8 і свердла з пластинками з твердих сплавів ВК6М. У таблиці 1 і на рис. 8 приведені результати випробувань трьох варіантів свердел.

Результати досліджень підсистеми інструменту з урахуванням потоків відмов функціонування наведені в таблиці 2.

Таблиця 1. Матриця планування і результати експерименту

Планування	Стійкість інструменту Ті, хв
x1	x2	x3	YI1	YI2	YI3
-	-	-	32,1	33,4	35,2
+	-	-	26,2	27,3	29,6
-	+	-	28,1	29,6	31,3
+	+	-	23,3	25,8	26,4
-	-	+	30,4	31,2	32,6
+	-	+	24,9	26,4	27,9
-	+	+	25,6	27,9	29,8
+	+	+	20,5	22,9	24,7
Математичне очікування	26,3875	28,0625	29,6875
Дисперсія	12,3411	9,4798	10,0461

Таблиця 2. Чисельні значення ймовірності безвідмовного функціонування інструменту

№ п/п	Варіанти інструменту	Р20	Р21	Р22	Р23
1.	І1	0,621	0,257	0,101	0,021
2.	І2	0,648	0,228	0,104	0,020
3.	І3	0,673	0,214	0,094	0,019

Таким чином, найбільшу експлуатаційну надійність показали свердла з пластинками з твердого сплаву. До найбільш частих причин відмов відносяться поломка робочої частини, знос і викришування зубів. Ймовірність відмови функціонування хвостовика склала Р₂₂=0,094, патрона - Р₂₃=0,019.

Параметричні відмови не обмежують функціонування ЕІ, але його подальша експлуатація призводить до відмов по точності і якості обробки отвору.

До параметричної відмови процесу свердління призводять перевищення граничної величини зносу U_пр по стрічках свердла, зміщення осі інструменту відносно осі отвору унаслідок неточності позиціонування, вібрації рук оператора і вібрації ЕІ, а також недостатня жорсткість свердла і нерівномірність структури оброблюваної поверхні. Під показниками Т₅₁, Т₅₂, Т₅₃ мали на увазі середній час від початку праці свердла до моменту виникнення відмови по точності розмірів або форми отвору, контроль яких здійснюється з використанням роз'ємної конструкції заготованки, спеціальних зліпків з силіконового еластомеру конденсованого типу «Speedex putty» і вимірювань за допомогою інструментальних мікроскопів.

Контроль розмірів і форми оброблюваних при цьому отворів проводили за допомогою нутроміра електронного, а також по їх зліпках з роз'ємних заготованок.

Результати статистичного дослідження трьох варіантів свердел на технологічну надійність процесу зведені в таблицю 3.

Таблиця 3. Експериментальні значення часу між параметричними відмовами процесу свердління глибоких отворів

№ п/п	Вид параметричної відмови	Математичне очікування М[T], хв	Інтенсивність потоків відмов л, хв-1
		І1	І2	І3	І1	І2	І3
1	По точності розмірів	18,2	17,4	19,1	0,055	0,057	0,052
2	По точності форми в подовжньому перетині	21,3	23,4	23,9	0,047	0,043	0,042
3	По точності форми в поперечному перетині	16,7	19,3	18,1	0,060	0,052	0,055

Час відновлення елементів після параметричної відмови досліджували в лабораторних умовах. Середній час відновлення після параметричної відмови - це час від моменту виникнення відмови до моменту роботи після усунення причин відмови.

Оцінка технологічної надійності процесу свердління глибоких отворів на даному етапі дозволила визначити ймовірність безвідмовно-параметричної роботи для кожного з трьох варіантів свердел, а також ймовірності відмов по точності розмірів отвору, по точності форми отвору в подовжньому перетині і в поперечному перетині, які зведені в таблицю 4.

На даному етапі аналіз технологічної надійності процесу свердління показує, що перевагу по точності обробки отворів має варіант свердла І₃, ймовірність безвідмовно-параметричної роботи якого складає Р₅₀=0,74, а також ймовірність відмов по точності розмірів отвору Р₅₁= 0,09, ймовірність відмов по точності форми отвору в подовжньому перетині Р₅₂= 0,074, в поперечному перетині - Р₅₃=0,096.

Таблиця 4. Чисельні значення ймовірності безвідмовно-параметричної роботи і параметричних відмов в процесі свердління

№ п/п	Варіанти інструменту	Р50	Р51	Р52	Р53
1	І1	0,720	0,095	0,085	0,100
2	І2	0,736	0,099	0,074	0,091
3	І3	0,740	0,090	0,074	0,096

Розглянуті розрахунки технологічної надійності процесу свердління глибоких отворів дозволяють оцінити вплив конструкції інструменту на точність оброблюваного отвору, а також врахувати вплив параметричних відмов на загальну надійність ЕІ на основі машинного експерименту за результатами досліджень.

Експериментальні значення за результатами дослідження кожною з відмовляючих підсистем приведені в таблиці 5. Математичне очікування часу між двома відмовами М[Т] наближається по величині до дисперсії D[T]. Дані про відносні частоти розподілу h[T] використовували для побудови графіків h, h, h.

Таблиця 5. Експериментальні значення параметрів потоків відмов функціонування підсистем ЕІ

№ п/п	Підсистеми	Математичне очікування М[Ті], хв	Дисперсія D[Ті]
1	Привод	828	867
2	Корпус	1270	1112
3	Електрообладнання	478	435

Час відновлення кожної підсистеми або елементу після відмови функціонування, що є дискретною випадковою величиною, обстежували в лабораторних умовах і у виробничих умовах.

Проведені дослідження і результати розрахунків інтенсивностей потоків відмов і відновлень виявили найбільш слабкі з погляду експлуатаційної надійності підсистеми ЕІ.

Таблиця 6. Значення інтенсивностей відмов функціонування і відновлення після відмов підсистем ЕІ

№ п/п	Підсистеми	Інтенсивності, хв-1
		відмов	відновлень
1	Інструмент	І1	0,0289	0,893
		І2	0,0272
		І3	0,0220
2	Привод	0,0012	0,096
3	Корпус	0,0008	0,177
4	Електрообладнання	0,0021	0,081

Дослідження технологічної системи на ЕОМ з урахуванням параметрів потоків відмов і відновлень дозволило отримати результати, приведені в таблиці 7 і на рис. 11.

Таблиця 7. Результати розрахунку надійності підсистем технологічної системи процесу свердління

Підсистема	Інтенсивність потоку відмов	Інтенсивність потоку відновлень	Ймовірність відмови
Інструмент	І1	І2	І3	0,893	І1	І2	І3
	0,029	0,027	0,022		0,022	0,021	0,0173
Привод	0,0012	0,096	0,008	0,009	0,0088
Корпус	0,0008	0,177	0,003	0,003	0,0032
Е/обладнання	0,0021	0,081	0,017	0,018	0,0182
Оброблювана поверхня	0,175	0,163	0,149	0,42	0,279	0,266	0,2494
Безвідмовна робота	0,670	0,684	0,7031

У четвертому розділі «Практичні рекомендації по підвищенню надійності свердління глибоких отворів електроінструментом» розроблені конструкторські і технологічні методи підвищення надійності свердління.

В результаті виконаних досліджень синтезований запобіжний пристрій для свердління глибоких отворів.

Пристрій дозволяє суттєво зменшити кут закручування свердла, оскільки ділянка свердла, що знаходиться в проміжку між хвостовиком і площиною розміщення приводних елементів, не піддається крутячим навантаженням.

Відхилення осі, які викликані наявністю поперечних коливань свердла при його обертанні і дією рук оператора, суттєво знижуються. Ймовірність безвідмовно-параметричної роботи при використанні даного пристрою зросла до величини Р₅₀=0,838, тобто на 13%.

Для запобігання інструменту від поломок при використанні в якості носія інформації про величину моменту електричних параметрів приводу головного крутільному руху ЕІ, пропонується пристрій для захисту інструменту від перевантажень.

При перевантаженні інструменту з можливістю його поломки різко збільшуються струми електродвигуна і напруга на виході диференціюючого елементу зростає вище за установку порогового елементу, викликаючи його спрацьовування. На виході порогового елементу з'являється сигнал на відключення приводу головного руху і необхідність відведення інструменту із зони обробки.

Пристрій має високу швидкодію, забезпечуючи запобігання поломці інструменту при перевантаженнях.

Особливістю системи є той факт, що в процесі обробки контролюються два струми ланцюга статора електродвигуна головного руху, що дозволяє суттєво підвищити швидкодію пристрою.

Дослідження розглянутої конструкції запобіжного пристрою у складі ЕІ по методиці, що приведена в третьому розділі, показали, що потоки відмов робочої частини інструменту () у підсистемі інструменту і потоки відмов інструменту в системі ЕІ істотно знизилися. Таким чином, розроблена конструкція по параметрах надійності перевищує характеристики розробленого раніше варіанту, проте для остаточного виводу необхідно провести комплексну оцінку по критерію P, заздалегідь дослідивши можливість оптимізації підсистеми електрообладнання.

Проведені експериментальні дослідження параметрів потоків відмов підсистеми електрообладнання показали, що найбільш слабкими з погляду надійності є регулятор і щітки. Найбільш висока інтенсивність відмов відмічена у регулятора електронного. Дослідження процесу свердління глибоких отворів в важкооброблюваних матеріалах підтвердили необхідність удосконалення регулятора з метою підвищення надійності і розширення функціональних властивостей. Синтезована конструкція має фіксовані положення, відповідні раціональним режимам при обробці різних важкооброблюваних матеріалів.

Вказані положення регулятора дозволяють проводити правильну установку раціональних частот обертання при свердлінні матеріалів з урахуванням їх фізико-механічних властивостей і розмірів отворів.

Синтез конструкцій ЕІ з метою підвищення їх надійності при свердлінні глибоких отворів в важкооброблюваних матеріалах дозволив доповнити чотири структурні варіанти новим: .

Удосконалений варіант являє собою дворукоятковий корпус із комбінованого матеріалу, привод від електричної мережі з максимальною частотою двигуна 4500 хв^-1 із приводом осьової подачі вручну. Раціональний варіант різального інструменту являє собою свердло із твердосплавними ріжучими елементами, допоміжний інструмент у вигляді патрона самоцентрувального цангового із установленим у нього пристроєм для запобігання відведення осі свердла і зменшення його «розкручування», а також із пристроєм для запобігання поломки інструмента. Підсистема електроустаткування характеризується потужністю споживання 0,7 кВт, наявністю регулятора електронного, вимикача і електронного блоку керування з перемикачем, а також сполучні й електричні елементи.

Аналіз отриманої діаграми і її порівняння з попереднім варіантом підтверджує переваги варіанту 5 по відношенню до останніх, зокрема варіанту 4, що вибраний як раціональний до проведення удосконалень. Такий вдосконалений варіант ЕІ має максимальне чисельне значення критерію Р₀ - ймовірність безвідмовної роботи.

Висновки

1. Аналіз існуючих досліджень процесу свердління глибоких отворів і оцінка надійності ЕІ показали, що вони відображають окремі аспекти підвищення якості обробки, та описують процеси недостатньо повно, не вивчені питання підвищення надійності процесу свердління електроінструментом.

2. Встановлено, що при синтезі раціональної системи ЕІ підвищеної надійності доцільно використовувати методи: структурної оптимізації, що включають етапи морфологічного аналізу системи ЕІ; оцінки надійності підсистем ЕІ з використанням розмічених графів станів; виявлення найменш надійних елементів; розробки заходів щодо підвищення надійності елементів і підсистем; виявлення причин параметричних відмов процесу свердління; розробки заходів щодо підвищення технологічної надійності процесу свердління глибоких отворів.

3. Для оцінки переважного варіанту структури технологічної системи процесу свердління необхідно врахувати ймовірність його безвідмовної роботи Р₀ з урахуванням потоків відмов функціонування підсистем і потоків параметричних відмов оброблюваної поверхні, що є основою для постановки експериментів при виявленні найменш надійних підсистем і елементів, а також їх вдосконалення при проектуванні.

4. Розроблена методика, варіанти систем ЕІ і експериментальна установка, для отримання чисельних значень параметрів потоків відмов функціонування і параметрів потоків їх відновлень, а також параметрів потоків параметричних відмов і відновлення в процесі свердління.

5. Аналіз експериментальних даних дискретних випадкових величин часу між відмовами функціонування і часу відновлення елементів і підсистем після відмов, аналіз графічних залежностей, перевірка за критерієм Бартлетта підтверджують можливість застосування експоненціального розподілу при описі вказаних потоків, що характеризують надійність системи.

6. Чисельний експеримент дозволив виявити раціональний варіант ЕІ за умови максимуму ймовірності безвідмовної роботи, при цьому аналіз показників надійності підсистем і елементів виявив найменш надійні елементи і можливості їх удосконалення конструкторсько-технологічними методами.

7. Розроблений раціональний варіант ЕІ для свердління глибоких отворів в важкооброблюваних матеріалах, який містить свердло з твердосплавними ріжучими елементами, яке встановлене в самоцентруючому патроні, а також пристрій для запобігання відведенню осі свердла і зменшення його «розкручування», для запобігання поломок інструменту, а також маюче регулятор в підсистемі електрообладнання з можливістю установки фіксованих положень, відповідних раціональним частотам обертання для різних важкооброблюваних матеріалів.

8. Результати досліджень упроваджені в навчальний процес кафедр технології машинобудування СевНТУ і Саратовського державного технічного університету, а також на ВАТ «Завод «Фіолент».

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Головин В.И. Оценка надежности электроинструмента с использованием размеченного графа состояний / В.И. Головин // Вестник СевГТУ. Оптимизация производственных процессов: сб. науч. тр. - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2006. - Вып. 9. - С. 133-139.

2. Головин В.И. Аналитическое исследование причин возникновения параметрических отказов при сверлении глубоких отверстий / В.И. Головин // Вестник СевГТУ. Оптимизация производственных процессов: сб. науч. тр. - Севастополь, 2007. - Вып. 10. - C. 126-129.

3. Головин В.И. Экспериментальные исследования эксплуатационной надежности подсистем электроинструмента при сверлении глубоких отверстий / В.И. Головин, А.О. Харченко // Вестник СевГТУ. Автоматизация процессов и управление: сб. науч. тр. - Севастополь, 2007. - Вып. 83. - C. 93-95.

4. Харченко А.О. Исследование надежности процесса сверления отверстий переносным электроинструментом / А.О. Харченко, В.И. Головин // International Scientific Conference on Engineering Design and Research of Automotive Vehicles and Machines Management and Marketing in Motorization SAKON`07. Rzeszow, Polska, 26-29 Wrzesein, 2007. - Rzeszow, 2007. - P. 99-106.

5. Харченко А.О. Анализ надежности электроинструмента, применяемого при ремонте автомобиля, с использованием размеченного графа состояний / А.О. Харченко, В.И. Головин // Проектирование, производство и эксплуатация автотранспортных средств и поездов. - Львов: Логос, 2006. - №13. - C.178-181.

6. Харченко А.О. Исследование надежности процесса сверления отверстий переносным электроинструментом в авторемонтном производстве / А.О. Харченко, В.И. Головин // Проектирование, производство и эксплуатация автотранспортных средств и поездов. - Львов: Логос, 2007. - №14. - C. 183-185.

7. Charczenko A. Analiza niezawodnosci elektrycznych wiertarek i wiertarek udarowych z zastosowaniem oznaczonego grafu stanow/ [Charczenko A., Golowin W., Taranenko W., Swic A.] // VIII Miedzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna «Przeglad Mechaniczny». Kazimierz Dolny, 31 maja - 1 czerwca 2007 r. - Lublin, Polska, 2007. - №5. - S. 35-37.

8. Головин В.И. Исследование надежности системы электроинструмента на ЭВМ с учетом параметров потоков отказов и восстановлений / В.И. Головин // Прогрессивные направления развития машино-приборо-строительных отраслей и транспорта: Материалы междунар. научн.-техн. конф. студ., асп. и молодых ученых, г. Севастополь, 14-17 мая 2007. - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2007. - С. 116-118.

Размещено на Allbest.ru