Обґрунтування періодичності технічного обслуговування різьбових з’єднань зернозбиральних комбайнів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет біоресурсів і природокористування України

УДК 621.882.004.54:631.354

обгрунтування періодичності технічного обслуговування різьбових з'єднань зернозбиральних комбайнів

05.05.11 - машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Рубець Андрій Миколайович

Київ - 2009



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті біоресурсів і природокористування України Кабінету Міністрів України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Михайлович Ярослав Миколайович, Національний університет біоресурсів і природокористування України, декан механіко-технологічного факультету

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Пастушенко Сергій Іванович, Херсонський державний аграрний університет Міністерства аграрної політики України, проректор з науково-педагогічної та інноваційної роботи

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, Василенко Михайло Олександрович, Національний науковий центр «Інститут механізації та електрифікації сільського господарства» Української академії аграрних наук, завідувач лабораторії технологій відновлення деталей газотермічним та електрофізичним способами

Захист відбудеться «20» жовтня 2009 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.06 у Національному університеті біоресурсів і природокористування України за адресою: 03041, м. Київ - 41, вул. Героїв Оборони, 15, навчальний корпус 3, ауд. 65

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету біоресурсів і природокористування України за адресою: 03041, м. Київ - 41, вул. Героїв Оборони, 13, навчальний корпус 4, к. 28

Автореферат розісланий «19» вересня 2009 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д.Г. Войтюк



АНОТАЦИИ

Рубець А. М. Обґрунтування періодичності технічного обслуговування різьбових з'єднань зернозбиральних комбайнів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. -- Національний університет біоресурсів і природокористування України, Київ, 2009.

Використано теорію коливань різьбового з'єднання в поперечному напрямку під дією двох збурюючих сил для дослідження зміни його технічного стану. Отримано поліноміальну залежність для визначення наробітку різьбових з'єднань зі з'єднуваними деталями малої згинальної жорсткості до моменту їх послаблення. Розроблено методику прискорених досліджень наробітку різьбових з'єднань до послаблення.

Досліджено зміну наробітку з'єднання до послаблення від характеру вібрації в напрямку перпендикулярному до осі болта, дотичної сили в контакті з'єднуваних деталей, крутного моменту загвинчування.

Обґрунтовано застосування розробленої методики для дослідження роботоздатності різьбових з'єднань зернозбиральних комбайнів всіх марок, виконано прогнозну оцінку щодо ефективності впровадження розроблених методик для парку високопродуктивних комбайнів України.

Ключові слова: технічне обслуговування, технічний стан, наробіток, різьбове з'єднання, вібрація, крутний момент.



Рубец А. Н. Обоснование периодичности технического обслуживания резьбовых соединений зерноуборочных комбайнов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. -- Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины, Киев, 2009.

Полевыми исследованиями установлено, что своевременной подтяжкой резьбовых соединений крепления секции молотилки можно избежать потерь зерна до 2,5 %. Техническое состояние резьбовых соединений крепления корпусов подшипников молотильного барабана наиболее влияют на потери зерна в виде недомолота и дробления.

В исследовании использована теория колебаний резьбового соединения в попереч ном направлении под влиянием двух возмущающих сил разной амплитуды, частоты и начальной фазы. Относительные перемещения соединяемых деталей возникают когда результирующая сила внешнего воздействия превышает силу трения в контакте соеди няемых деталей, а существенное увеличение амплитуды относительных перемещений начинается от момента, когда кратность частот возмущающих сил больше единицы. різьбовий поліноміальний жорсткість з'єднання

Экспериментально установлено, что наибольшее влияние на наработку до ослаб ления оказывает дальность рабочего и резонансного режимов резьбового соединения. Отвести от резонансных режимов и тем самим увеличить наработку резьбового соеди нения до ослабления можно путем выбора оптимальных параметров: характеристик жесткости, коэффициентов трения, крутящего момента завинчивания. Полученные зависимости можно использовать для определения номинального диаметра, длины свинчивания и коэффициентов трения при заданном внешнем воздействии.

Исследовано изменение наработки соединения к ослаблению от характера вибрации в направлении, перпендикулярном к оси болта, касательной силы в контакте соединяемых деталей, крутящего момента завинчивания, выведены регрессионные зависимости.

Резьбовые соединения зерноуборочных комбайнов, ТО которых не регламентировано инструкциями по эксплуатации, разделено на 3 группы по величине межпрофилактического строка: 720, 960, 1200 мото.-час.

На основании анализа траектории точки контакта резьбового стержня ослабленного резьбового соединения с отверстием соединяемых деталей предложен способ определения рациональной ориентации резьбового стержня с целью избежания потери деталей соединения в случае его ослабления. Увеличить наработку резьбового соединения до ослабления можно также применением левой или правой резьбы.

При проведении технического обслуживания целесообразно использовать смазочные материалы для достижения необходимого напряжения в соединении.

По результатам проведенных научных исследований на заводе ОАО "Херсонский машиностроительный завод" внедрены в производство новые экспериментально обоснованные параметры ТО резьбовых соединений и рекомендации по повышению их надежности.

Обосновано применение разработанной методики для исследования работоспособности резьбовых соединений зерноуборочных комбайнов всех марок, выполнена прогнозная оценка относительно эффективности внедрения разработанных методик для парка высокопродуктивных комбайнов Украины. Годовой экономический эффект от предложенных рекомендаций ко всему парку комбайнов Украины производительностью 9 - 11 кг/с составил 870 тыс. грн.

Ключевые слова: техническое обслуживание, техническое состояние, наработка, резьбовое соединение, вибрация, крутящий момент.



Rubets A. M. Substantiation of maintenance rate of screw-thread connections of grain harvester combines. - Manuscript.

Dissertation is for getting a scientific degree of candidate of engineering sciences after speciality 05.05.11 - machines and facilities of an agricultural production mechanization. -- National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Kyiv, 2009.

The theory of vibration of screw-thread connection in transversal direction under influence of two revolting forces for research of change of its technical state is used. The polynomial dependence of determination of working time of screw-thread connections with the connected details of small bend inflexibility to the moment of their loosening is obtained. The method of speed-up researches of the working time up to loosening of screw-thread connections is developed.

The change of working time of connection to loosening from the character of vibration in direction perpendicular to the axis of bolt, tangent force in the contact of the connected details, torque moment of screwing up is explored.

The application of the developed method for research of working ability of combine harvesters screw-thread connections of all brands is substantiated, prognosis estimation of developed methods introduction efficiency for Ukraine highly productive combines is executed.

Key words: maintenance, technical state, working time, screw-thread connection, vibration, torque moment.



Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Затрати на підтримання сільськогосподарської техніки у роботоздатному стані протягом всього строку експлуатації в 2-3 рази перевищують вартість на її виготовлення. Зменшення затрат на технічне обслуговування і ремонт (ТОР) потребує особливої уваги у зв'язку з постійним підвищенням цін на техніку та запасні частини до неї. Одним із шляхів зменшення затрат є оптимізація технічного обслуговування (ТО), що дозволяє своєчасно запобігати відмовам машин.

З усієї кількості деталей сучасних зернозбиральних комбайнів, а це близько 18 тисяч одиниць, 5600 з них (понад 30 %) є різьбові з'єднання. Інструкціями з експлуатації зернозбиральних комбайнів виробництва країн СНД технічний стан понад 99 % різьбових з'єднань пропонується визначати суб'єктивним методом, що стає причиною або виключення різьбових з'єднань зі списку обслуговування або обслуговування без потреби. В результаті цього виникають зміни стабільності технічних і технологічних параметрів.

Існуючою комплексною системою ТОР не регламентується проведення ТО різьбових з'єднань, а носить тільки рекомендований характер. З огляду на те, що за результатами досліджень до 25 % відмов сільськогосподарської техніки виникають через низьку надійність різьбових з'єднань, проблема пошуку шляхів зменшення затрат при ТОР та поліпшення показників використання сільськогосподарської техніки залишається не вирішеною.

У зв'язку з цим, дослідження щодо визначення оптимальної періодичності ТО різьбових з'єднань і технології його проведення, застосування мастильного матеріалу та засобів фіксації при ТО є актуальними і мають велике народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі технічного сервісу та інженерного менеджменту ім. М. П. Момотенка Національного університету біоресурсів і природокористування України відповідно до плану науково-дослідних робіт за ініціативним напрямком "Розробити механіко-технологічні основи взаємодії робочого елемента машини з об'єктами сировини сільськогосподарського виробництва" номер державної реєстрації -- 0107U004869; "Використання різьбових з'єднань мобільної сільськогосподарської техніки" номер державної реєстрації -- 0107U006066.

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень є зменшення затрат на підтримання самохідних зернозбиральних комбайнів у роботоздатному стані шляхом оптимізації періодичності та переліку операцій ТО різьбових з'єднань.

Для досягнення поставленої мети сформульовані такі завдання:

- проаналізувати стан досліджень з технічного обслуговування різьбових з'єднань зернозбиральних комбайнів, переліку операцій та періодичності ТО;

- дослідити вплив вібраційного навантаження на стан різьбових з'єднань зернозбиральних комбайнів;

- встановити характер зміни технічного стану різьбових з'єднань в процесі експлуатації зернозбиральних комбайнів;

- розробити рекомендації щодо удосконалення переліку операцій та періодичності ТО різьбових з'єднань, не регламентованих інструкцією з експлуатації;

Об'єкт дослідження - різьбові з'єднання зернозбиральних комбайнів.

Предмет дослідження - вплив параметрів вібраційного навантаження на наробіток різьбових з'єднань до послаблення.

Методи дослідження. У роботі використовуються експериментальні і теоретичні методи досліджень, зокрема теорія механічних коливань, математичний аналіз, механіка матеріалів. Розв'язок отриманих рівнянь виконано аналітично та з використанням комп'ютерних програм Mathcad-14, Mathematica-6, Matlab-7. Експериментальні дослідження проведені з використанням методів теоретичної механіки, диференціального та інтегрального числення, статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. 1. Теоретично встановлено і експериментально підтверджено, що уникнути послаблення різьбових з'єднань можна шляхом вибору крутного моменту загвинчування, жорсткостей та коефіцієнтів тертя з'єднуваних деталей і гвинтової пари.

2. Теоретично визначено і експериментально підтверджено, що при наближенні робочого вібраційного режиму до резонансного наробіток різьбового з'єднання до послаблення зменшується.

3. Теоретично встановлено момент початку послаблення різьбового з'єднання внаслідок дії поперечних збурюючих сил довільних амплітуд, частот та початкових фаз, що дозволяє визначити оптимальні параметри різьбового з'єднання при заданому зовнішньому впливі.

4. Обґрунтована раціональна орієнтація різьбового з'єднання за характером траєкторії точки контакту послабленого різьбового стрижня з отвором з'єднуваних деталей, що дозволяє отримати додатково понад 56 мото.-год наробітку з'єднання.

5. Теоретично визначено і експериментально підтверджено, що підвищення сили тертя між з'єднуваними деталями для уникнення послаблення повинно супроводжу-ватись підвищенням сили тертя на опорних поверхнях головки болта та гайки.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено експлуатаційно-технологічні рекомендації щодо періодичності технічного обслуговування різьбових з'єднань, що дозволяє скоротити затрати часу на його проведення до 30-35 %, а також підвищити коефіцієнт готовності зернозбиральних комбайнів на 15-20 %. Розроблено і виготовлено ексцентриковий вібраційний стенд для дослідження надійності кріплення різьбових з'єднань (патент № 31620) з використанням регульованого ексцентрикового вузла (патент № 31618) та ключ динамометричний (патент № 31615). Розроблений стенд, ключ і методика визначення експлуатаційних характеристик різьбових з'єднань використовується в навчальному процесі кафедри технічного сервісу та інженерного менеджменту ім. М. П. Момотенка Навчально-наукового технічного інституту Національного університету біоресурсів і природокористування України. Розроблені рекомендації впроваджені та використовуються при виробництві самохідних зернозбиральних комбайнів КЗС-9 "Славутич" ТОВ "Херсонський машинобудівний завод". Удосконалені режими технічного обслуговування різьбових з'єднань впроваджені та використовуються в комплексах машин з вирощування зернових культур у сільськогосподарських підприємствах різних форм власності Чернігівської та Київської областей.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем проведено теоретичний аналіз технічного обслуговування різьбових з'єднань, розроблено методику дослідження експлуатаційних характеристик різьбових з'єднань, розроблено та виготовлено установку, проведено експериментальні дослідження, обробку експериментальних даних, перевірку розробленої методики та установки у виробничих умовах.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались на науково-практичних конференціях професорсько-викладацького складу та аспірантів Національного аграрного університету 2002-2008 рр. (м. Київ), Міжнародній науково-технічній конференції до 75-річчя факультету механізації сільського господарства "Перспективи технічного забезпечення агропромислового виробництва" (Навчально-науковий технічний інститут Національного аграрного університету, м. Київ, 2004 р.), Всеукраїнській науково-технічній конференції "Перспективи розвитку агропромислового комплексу в поліському регіоні України" (Ніжинський агротехнічний інститут Національного аграрного університету, м. Ніжин, 2008 р.), Міжнародній науково-технічній конференції до 110-річчя НАУ "Аграрна інженерія в умовах глобалізації" (Національний аграрний університет, м. Київ, 2008 р.), Всеукраїнській науково-технічній конференції "Перспективи розвитку агропромислового комплексу в поліському регіоні України" (Ніжинський агротехнічний інститут Національного університету біоресурсів і природокористуван-ня України, м. Ніжин, 2009 р.), ХІ Міжнародній науковій конференції з нагоди 75-річчя від дня народження академіка УААН та РАСГН Леоніда Володимировича Погорілого "Науково-технічні засади розробки, випробування та прогнозування сільського-подарської техніки і технологій" (Український науково-дослідний інститут прогнозування та випробування техніки і технологій для сільського господарства імені Леоніда Погорілого, смт. Дослідницьке, 2009 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 18 наукових праць, в тому числі 8 - у фахових виданнях, з них 3 - одноосібно, одержано 3 патенти України на корисні моделі.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел (містить 128 найменувань, з них 6 іноземними мовами) та 4 додатки. Основний зміст роботи викладено на 118 сторінках машинописного тексту, вміщує 13 таблиць та 54 рисунки.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи і наведено її народногосподарське значення, сформульована мета і задачі досліджень, визначено об'єкт і предмет досліджень, наведена наукова новизна і практичне значення, рівень реалізації та впровадження наукових розробок. Наведено інформацію про публікації, апробацію, структуру та обсяг роботи.

У першому розділі -- «Стан питання та завдання досліджень» проаналізовано умови роботи різьбових з'єднань, місце ТО у забезпеченні їх надійності та стан питання ТО різьбових з'єднань зернозбиральних комбайнів.

Особливістю експлуатації зернозбиральних комбайнів є постійне їх утримання в стані високої технічної готовності для виконання робіт у стислі строки, що знач ною мірою залежить від своєчасного і якісного проведення ТО.

За даними Державного комітету статистики України станом на 01.01.09 р., понад 85 % зернозбиральних комбайнів відпрацювали свій амортизаційний строк. Виробники зерна, використовуючи такий парк зношених комбайнів, мають значні перевитрати коштів, що потребує детального аналізу всіх впливових факторів. Нашими дослідженнями встановлено, що технічний стан різьбових з'єднань секції молотильного апарата найбільш впливає на недомолот зерна, а втрата крутного моменту загвинчування понад 40-50 % номінального значення спричинює форсовані втрати зерна.

Дослідження показали, що технічний стан різьбових з'єднань зернозбиральних комбайнів є не задовільний: 10 % загальної кількості досліджуваних з'єднань номінального діаметра 12 мм, 11,1 % номінального діаметра 10 мм та 22,76 % номінального діаметра 8 мм розгвинчені взагалі і тільки 13,19 % загальної їх кількості відповідають вимогам щодо крутного моменту загвинчування.

Застосування фіксації головок болтів та гайок не вирішує питання підвищення напрацювання різьбових з'єднань до послаблення з тієї причини, що послаблення внаслідок дії поперечних вібраційних навантажень відбувається не внаслідок відносного обертання різьбового стрижня з гайкою, а внаслідок втрати монолітності контакту між з'єднуваними деталями та на опорній поверхні головки болта і гайки. Внаслідок цього гвинтова пара залишатиметься змонтованою в отворі з'єднуваних деталей і не створюватиме необхідного зусилля їх притискання, а відносні переміщення з'єднуваних деталей створюватимуть сприятливі умови для ударних навантажень.

Вагомий внесок у розвиток системи ТОР зробили такі відомі вчені: Г. В. Веденяпін, А. І. Селіванов, Г. Б. Іосилевич, Б. В. Гнеденко, А. М. Половко та ін. Удосконаленню ТО та діагностування сільськогосподарської техніки присвячені роботи М. С. Пасечнікова, М. С. Ждановського, В. Л. Кушлянського,

О. В. Смашнюка та ін. Ґрунтуючись на теоретичних та експериментальних дослідженнях, сучасна система ТОР передбачає проведення щозмінних, номерних (ТО-1, ТО-2) та сезонних технічних обслуговувань, які призначені для підтримання техніки у роботоздатному стані. Відомо, що найбільш ефективним є проведення технічного обслуговування машин за фактичним технічним станом з періодичним чи постійним контролем. Проте встановлено, що у випадку великої кількості точок обслуговування, вартість профілактичних робіт зростає і більш доцільним є проведення планових ТО. Підраховано, що середня оперативна тривалість ТО різьбових з'єднань зернозбирального комбайна РСМ-10 (або КЗС-9) становить понад 37 год. Враховуючи періодичність обслуговування 60 мото.-год, за період збирання урожаю час простою комбайна становив би майже половину загального часу його роботи, що є неприпустимо в умовах обмежених термінів збирання урожаю.

У роботах Г. Б. Іосилевича, Г. М. Овсієнка, Є. Б. Віткупа та інших зазначається, що навіть часткова втрата зусилля притискання з'єднуваних деталей призводить до порушення роботоздатності різьбових з'єднань. В умовах експлуатації важливо встановити тривалість роботи з'єднання до відновлення зусилля притискання з'єднуваних деталей при проведенні профілактичних робіт. Встановлено також, що використання фіксуючих засобів не подовжує міжпрофілактичного періоду, а в окремих випадках, при неякісному виготовленні останніх, скорочує його, збільшуючи при цьому собівартість виробленої продукції.

Аналіз літературних джерел з досліджень стабільності зусилля попереднього загвинчування різьбових з'єднань свідчить, що ефективність обслуговувань значною мірою залежить від періодичності профілактичних дій та значення початкового напруження у з'єднанні. Зазначені питання досліджувались Г. Б. Іосилевичем,

В. С. Балибердиним, Є. П. Замилацьким та ін. Достатньо вивчені явища послаблення різьбових з'єднань стаціонарних машин, встановлених на фундаменті (редукторів, верстатів, електродвигунів тощо) є не характерними при дослідженні стабільності зусилля попереднього загвинчування різьбових з'єднань сільськогосподарської техніки у зв'язку зі специфікою конструкції та роботи останніх -- вплив вібраційного навантаження в трьох взаємно-перпендикулярних напрямках та порівняно низька згинальна жорсткість з'єднуваних деталей.

Дослідження вібрації робочих органів сільськогосподарських машин з метою поліпшення технологічного процесу, які висвітлюються в ряді робіт таких відомих вчених як І. Ф. Василенка, С. І. Пастушенка, С. О. Алферова, М. А. Пустигіна та інших не містять визначення впливу вібрації на надійність кріплення елементів машин. Аналіз інструкцій з експлуатації зернозбиральних комбайнів дозволяє зробити висновок про те, що надані в них рекомендації щодо діагностування та проведення на його снові ТО не відповідає технічному рівню сучасної сільськогосподарської техніки. На відміну від робіт, пов'язаних з удосконаленням технічних та технологічних параметрів зернозбиральних комбайнів, ТО останнім часом не зазнавало подібних якісних змін.

У другому розділі "Теоретичні передумови визначення тривалості роботи різьбових з'єднань до послаблення" наведено результати теоретичних досліджень послаблення різьбових з'єднань та визначення їх міжпрофілактичного наробітку за характером зовнішніх навантажень.

Малонавантажені різьбові з'єднання мобільної сільськогосподарської техніки працюють в умовах, за яких розкриття стику не відбувається. Використання теорії коливань різьбового з'єднання у повздовжньому напрямку для дослідження послаблення унеможливлене внаслідок малої згинальної жорсткості з'єднуваних деталей. Послаблення у випадку коливань, направлених під кутом 90є до осі різьбового стрижня, буде відбуватись внаслідок втрати монолітності контактів з'єднання. Це явище буде виникати при встановленні різьбового стрижня з зазором, що не рідко практикується в сільськогосподарській техніці. Практичною цінністю є встановлення умов, при яких виникатимуть мікрозміщення з'єднуваної деталі m_пр.1 відносно деталі m_пр.2 (рис. 3). У коливальній системі, зображеній на рис. 3, пружним елементом є різьбовий стрижень із характеристикою жорсткості с, а дисипативною силою - сила сухого тертя в контакті з'єднуваних деталей. Зусилля від маси m_пр.1 до стрижня передається через опорну поверхню гайки з коефіцієнтом тертя f₁. При певних навантаженнях маси можуть проковзувати не тільки між собою, але і відносно опорних поверхонь головки болта та гайки. Процес послаблення з'єднання прискорюватиметься ексцентричністю гайки, непаралельністю опорних поверхонь деталей, головки болта та гайки. Рух системи буде описуватись відомою системою рівнянь, в правій частині яких для більшої загальності стоятимуть збурюючі сили різної частоти, амплітуди та початкової фази:

де Р₁, Р₂ - амплітуди збурюючих сил (, ), Н;

m_пр.1, m_пр.2 - приведена маса першої та другої приєднуваної деталі відповідно, що припадає на один болт, кг;

а₁, а₂ - амплітуда коливань першої та другої приєднуваної деталі відповідно, м;

щ - кругова частота коливань, с^-1;

u - початкова фаза, рад;

s - кратність частот коливань збурюючих сил;

R₂ - сила тертя в контакті з'єднуваних деталей (), Н;

Q - сила притискання з'єднуваних деталей, Н;

f₂ - коефіцієнт тертя в контакті з'єднуваних деталей;

с - характеристика жорсткості стрижня болта, Н/м.

Прийнявши , та зробивши необхідні перетворення отримаємо систему диференційних рівнянь руху двомасової системи в такому вигляді:

де k - частота власних коливань маси

m_пр.1 (), с^-1;

r - відношення сили тертя до приведеної маси

(), м/с²;

q - відношення приведених мас з'єднуваних деталей

().

Відносні переміщення з використанням середовища MATLAB R2007b за початкових умов та виражатимуться залежністю:

Для практичного застосування важливим є не рівняння відносних переміщень деталей, а їх найбільше відхилення - амплітуда, яка в коливаннях зі збурюючими силами різних частот буде мати змінний характер.



(3)

де р - частота власних коливань системи

а - амплітуда відносних коливань, м. Величину найбільшого значення амплітуди а визначимо з рівняння похідної відносних коливань, прирівняної до нуля, для моменту часу t=р/щ, коли швидкість відносних коливань дорівнює нулю:



де z - відношення частот власних коливань і збурюючої сили ().

Вищенаведений закон руху (3, 4) коливальної системи справедливий за умови відсутності відносного руху пружного елемента с з масами m_пр.1 та m_пр.2 (на опорній поверхні головки болта та гайки). В момент виникнення проковзування пружна сила не буде виконувати відновлюючу дію і з'єднання переходить у фазу фретинг-зношування, яке в межах цієї роботи не розглядається. Умовою надійної роботи з'єднання можна вважати діапазон значень факторів до фретинг фази, коли амплітуда відносних коливань з'єднуваних деталей буде менша чи дорівнювати амплітуді коливань різьбового стрижня, тобто

або .

Враховуючи те, що сила тертя та опорній поверхні гайки та використавши заміни і , виконаємо прості математичні дії і залежність сили притискання від впливових факторів перепишемо так:



Із залежності сили притискання з'єднуваних деталей від різниці фаз та частот збурюючих сил видно, що в резонансних режимах різниця фаз підсилює амплітуду до 2 разів, а при збільшенні числа s (у зарезонансному режимі) величина амплітуди сили Q зростає за лінійним законом і різниця фаз має вже менший вплив.

Амплітуда відносних коливань зростає при зменшенні коефіцієнта тертя між з'єднуваними деталями f₂ за лінійною залежніст. Кратність частот збурюючих сил вносить хвилеподібність в поверхню графіка a(s, f₂) з частотою 0,5s. З аналізу графіка, зображеного на рис. 5, видно, що зростання кратності частот s спричиняє збільшення амплітуди, це свідчить про збільшення інтенсивності зовнішнього впливу на різьбове з'єднання.

Сила притискання зростає при збільшенні кратності мас. При цьому залежність Q(m_пр.1, q) має багато екстремумів, розміщених вздовж певних напрямків на поверхні, що зростають за степеневою залежністю. Ця поведінка характерна для полігармонічного збурення коливальних систем, а досліджений факт має важливе практичне значення для вибору діаметра різьбового стрижня при заданому зовнішньому впливі.

З графіка залежності амплітуди відносних коливань з'єднуваних деталей а від діаметра d та довжини робочої частини різьбового стрижня l (у більшості випадків це і сумарна товщина з'єднуваних деталей) видно, що збільшення довжини різьбового стрижня більш впливове на амплітуду ніж зменшення діаметра.

Амплітуда відносних коливань з'єднуваних деталей зростає при збільшенні зовнішнього впливу та зменшенні діаметра стрижня (рис. 8). При цьому суттєве зростання амплітуди починається від моменту s=1 та більше, що означає зниження стабільності зусилля притискання по мірі посилювання зовнішнього впливу. Практичною цінністю отриманих залежностей є можливість знаходження розмірів різьбового з'єднання сільськогосподарської техніки на етапі її розробки, випробування та впровадження у виробництво.

З аналізу отриманих залежностей видно, що відносні коливання виникають коли амплітуда сумарної збурюючої сили достатньо велика порівняно із силою тертя, а поблизу резонансних режимів наявність сухого тертя не обмежує амплітуду відносних коливань з'єднуваних деталей.

Аналізом залежностей амплітуди відносних коливань від геометричних розмірів деталей з'єднання встановлено, що їх вплив на резонансний режим проявляється в основному через величину характеристики жорсткості с. Конструктивне забезпечення роботи з'єднання в не резонансних режимах дозволить отримати високі показники надійності різьбових з'єднань.

Дослідами встановлено, що технічний стан різьбових з'єднань найбільш впливає на якість виконання технологічного процесу молотильним апаратом, а найбільш критичні вібраційні навантаження діють на різьбові з'єднання секції молотильного апарата. Крутний момент загвинчування в процесі роботи різьбового з'єднання зменшується за лінійним законом, що дозволяє використати відому залежність визначення періодичності профілактичних втручань:

(6)

де в - безрозмірний коефіцієнт ();

м - математичне очікування швидкості зменшення крутного моменту загвинчування за наробіток різьбового з'єднання t, Нм/мото.-год;

у - середньоквадратичне відхилення зміни крутного моменту загвинчування, виміряного після наробітку різьбового з'єднання ф, Нм/мото.-год;

у₀ - середньоквадратичне відхилення значень крутного моменту загвинчування, виміряного перед початком роботи різьбового з'єднання, Нм;

б - наробіток, протягом якого крутний момент загвинчування різьбового з'єднання лінійно зменшується від w до w₀ (), мот.-год;

г - відношення середньоквадратичних відхилень (), мот.-год;

w - значення крутного моменту загвинчування, виміряного після наробітку різьбового з'єднання ф, Нм;

w₀ - значення крутного моменту загвинчування, виміряного перед початком роботи різьбового з'єднання, Нм;

u_1-е - квантиль нормального розподілу.

Практичну цінність для заданого е має визначення такого інтервалу відновлення ф_е, при якому з ймовірністю 1-е виключається настання поступової відмови групи різьбових з'єднань. Зменшення точності надання крутного моменту при монтажі чи регулюванні стає причиною збільшення затрат на ТО, а для окремих різьбових з'єднань -- неможливість забезпечення надійності їх безвідмовної роботи вище 0,8.

У третьому розділі "Програма і методика експериментальних досліджень" обґрунтовані критерії оцінки стану різьбових з'єднань, описано експериментальну установку, наведено програму та методику досліджень.

Для вирішення поставлених завдань до програми експериментальних досліджень включено проведення аналізу відмов зернозбиральних комбайнів з причин виходу з ладу різьбових з'єднань, дослідження характеру зміни їх експлуатаційних характеристик від наробітку, оцінки кількісної сторони граничного стану різьбового з'єднання.

У лабораторних умовах визначали відповідність деталей різьбових з'єднань ГОСТ 1759.0 - 87, ДСТУ ISO 4759-1 - 2001, ГОСТ 6402 - 70, залежність зміни крутного моменту загвинчування з'єднуваних деталей від характеру вібраційного навантаження.

У польових умовах визначали режими роботи зернозбиральних комбайнів, характер вібраційного навантаження болта та гайки, характер зміни експлуатаційних характеристик різьбових з'єднань від напрацювання, обсяги робіт з ТО різьбових з'єднань.

У лабораторії кафедри технічного сервісу та інженерного менеджменту ім. М. П. Момотенка Навчально-наукового технічного інституту Національного університету біоресурсів і природокористування України було обґрунтовано спосіб визначення експлуатаційних характеристик різьбових з'єднань, розроблено та виготовлено експериментальну установку для оцінки функціонального стану різьбових з'єднань за характером зовнішнього впливу на болт та гайку. Основними перевагами розробленої установки є можливість відтворення вібрації в двох взаємно перпендикулярних напрямках одночасно (у вертикальному та залежному від нього горизонтальному), простота конструкції та висока точність одержаних результатів досліджень. Розроблена конструкція ексцентрика з діапазоном зміни ексцентриситету 0-2 мм, кроком 0,035-0,001 мм (360 значень), використаний регулятор частоти змінного струму FR-E 540 EC фірми "Mitsubishi Еlectric" з діапазоном зміни частоти струму 0-400 Гц і кроком 0,01 Гц та стенд віброакустичної діагностики "Дельфін-1М" дозволяють відтворити весь домінуючий спектр вібрації різьбових з'єднань зернозбиральних комбайнів та контролювати його з високою точністю.

Вібрація стола 7, створювана ексцентриком 1, вимірюється датчиками в 2-х взаємно перпендикулярних площинах. Стержні датчиків 13 встановлюються вертикально та горизонтально і тримаються оператором, як зазначено в інструкції з експлуатації. Електричні сигнали від датчиків передаються через перетворювач 15 до комп'ютера. Притискання стола до ексцентрика виконується за допомогою блока пружин 17. Максимальна маса встановленого оснащення на стіл обмежується навантажувальною здатністю підшипників з розрахунку тривалої роботи установки (Т=6•10⁹ циклів) і для обраної конструкції установки становить 70кг.

Установка працює таким чином: встановлюють потрібну амплітуду коливань ексцентрика (0-2 мм), на вібраційному столі встановлюють досліджувані різьбові з'єднання. З'єднують стенд "Дельфин - 1М" з вібраційним стендом провідником "на корпус". Запускають двигун і доводять частоту коливань до розрахункової. За 5-10 % кількості циклів коливань до передбачуваного часу послаблення встановлюють датчики 13 з зусиллям притискання, що дорівнює їх масі та контролюють за показами комп'ютерної діаграми амплітуду коливань з'єднання. В момент початку появи періодичних екстремумів амплітуди зупиняють двигун і зберігають в комп'ютері запис коливань для подальшої обробки даних. За часом роботи установки до раптової зміни огинаючої амплітуд вібрації визначали наробіток різьбового з'єднання на заданій частоті.

Визначення залежності зміни напрацювання від впливових факторів здійснювали методом планування активних багатофакторних експериментів. Одержані математичні моделі перевірялись на адекватність та відтворюваність.

Механічні характеристики болтів визначали за ГОСТ 1759.4-82, шорсткість поверхонь болтів і гайок за ГОСТ 9378-75, механічні властивості гайок за ГОСТ 1759.5-87.

У четвертому розділі "Результати експериментальних досліджень" наведено результати досліджень стану експлуатації та ТО зернозбиральних комбайнів, характер відмов з причин виходу з ладу та послаблення різьбових з'єднань, наведено експериментальні дані та розроблено математичні моделі послаблення з'єднання, встановлено граничні значення вібраційних характеристик різьбових з'єднань.

Аналіз використання зернозбиральних комбайнів РСМ-10 та КЗС-9 в Київській, Чернігівській та Полтавській областях показав, що в більшості господарств обслуговування різьбових з'єднань не проводилось взагалі. В 8 з 16 господарствах проводили ТО з дотриманням встановленої періодичності, в інших же це відбувалося за потребою або не проводили взагалі, що особливо позначалось на парку машин, строк служби яких більший за 5 років. Виробники сільгосптехніки часто не вказують допустимий діапазон крутного моменту загвинчування, зазначивши тільки його номінальне значення. Коефіцієнт технічної готовності зернозбиральних комбайнів становив 0,38…0,81. Відхилення періодичності ТО-1 та ТО-2 становило 20-300 % за умови допустимого рівня ±10 %. В умовах експлуатації внаслідок низької якості обслуговування (низької точності інструментів), діапазон крутного моменту, наприклад болтів М12 класу міцності 8.8, розширюється від 15 до 102Нм у зв'язку з чим, зусилля притискання змінюється від 17277H до 117485H. Це неодмінно впливає на наробіток з'єднання до послаблення і, відповідно, надійність роботи комбайна.

Спостереження за роботою болтових з'єднань номінальних діаметрів 8, 10 та 12 мм зернозбиральних комбайнів РСМ-10 та КЗС-9 показали, що найбільший наробіток до послаблення до послаблення мають з'єднання з вищим класом міцності (8.8 і більше) та меншою інтенсивністю зовнішнього впливу. Застосування мастильних матеріалів під час монтажу з'єднань зменшує енерговитрати при загвинчуванні гайковертами, зменшує, стабілізує коефіцієнти тертя та дозволяє отримати необхідні напруження в з'єднуючих та з'єднуваних деталях.

На основі узагальненого досвіду та результатів попередніх досліджень визначено, що на експлуатаційних режимах роботи зернозбиральних комбайнів ресурс різьбового з'єднання може сягати понад 1Ч10⁸ циклів, що не раціонально відтворювати на розробленому вібраційному стенді з міркувань подовження його терміну експлуатації. З цією метою у всіх дослідженнях, крім досліджень з виявлення впливу частоти вібрації, використовувалась частота початку послаблення. Так досягалась мінімально допустима кількість циклів коливань до послаблення з'єднання 344-250Ч10³, що було цілком ефективно. Експерименти, проведені на лабораторній установці, підтвердили значний вплив віддаленості експлуатаційного режиму та резонансних режимів на наробіток різьбових з'єднань. Мінімальне значення кількості циклів коливань до послаблення виявлено на резонансних режимах (рис. 11).

Виявлення впливу апріорі впливових факторів (амплітуда, кругова частота, крутний момент, дотичне навантаження), вивчення закономірностей і їх взаємозв'язку проводили на основі системного підходу. Реалізація багатофакторного експерименту і наступна математична обробка дали не лінійні рівняння регресії впливу амплітуди вібрації в напрямку поперечному до осі болта (а, мм), кругової частоти вібрації в напрямку поперечної осі болта (щ, с^-1), крутного моменту (М_к, Нм), дотичного навантаження (F_н, Н):

1) кількість циклів коливань до послаблення, циклів:

(7)

2) час роботи з'єднання до послаблення, с:

(8)

Отримані математичні моделі Т_р та t_р мають достовірність 0,97 та 0,95 відповідно.

Польовими дослідженням виявлено, що тривалість роботи різьбових з'єднань найбільше скорочується на несталих режимах роботи зернозбиральних комбайнів та внаслідок недостатнього напруженого стану з'єднуваних деталей. На основі результатів досліджень руху комбайнів по нерівностях поверхні ґрунту можна зробити висновок, що найбільш шкідливим на стабільність зусилля попереднього загвинчування з'єднань виявляється вплив коливань комбайна при русі його по сільських дорогах. За результатами лабораторних досліджень при збільшенні дотичного зовнішнього навантаження частота початку послаблення зменшується, наближаючись таким чином до робочого діапазону частот різьбових з'єднань комбайнів. Подовження міжпрофілактичного періоду з'єднання в такому випадку можливе шляхом розвантаження площини контакту з'єднуваних деталей та створення достатнього зусилля попереднього загвинчування.

Дослідження зміни вібраційних характеристик у процесі роботи різьбового з'єднання дозволило зробити висновки, що не послаблене з'єднання має стабільні амплітуду та частоту вібрації. Під час роботи послабленого з'єднання періодично виникає додаткова низька частота коливань зі збільшеною амплітудою.

Кореляційний аналіз результатів експериментів виявив тісний зв'язок між характером вібрації та станом різьбового з'єднання (коефіцієнти кореляції дорівнюють 0,86-0,98). Тому можна зробити висновок, що напрацювання різьбового з'єднання та зовнішній і внутрішній вплив пов'язані квадратичною залежністю, яку можна використовувати для оцінки міжпрофілактичного періоду.

З метою виявлення впливу спрацювання експериментальної установки на точність результатів досліджень паралельно з основними дослідженнями проводились періодичні заміри вібрації стола вібраційного стенда при заданому значенні частоти змінного струму 40 Гц, 60 Гц та 80 Гц. За результатами досліджень можна зробити висновок, що зміна амплітуди та частоти протягом всіх експериментів становили 1,5 % та 1,04 % відповідно. Для виокремлення впливу зношування стенду проводили повторні експерименти на заданих частотах змінного струму через кожні 100 годин роботи. Співставлення значень наробітку установки з попередніми дозволяє зробити висновок, що протягом досліджень вплив зношування лабораторної установки був не значний і становив 0,43-1,00 %.

У процесі роботи різьбового з'єднання зернозбиральних комбайнів з'єднувані деталі знаходяться в певному напруженому стані. Нерівномірність технологічного матеріалу (зерно-соломистої маси), зміна маси зерна в процесі наповнення бункера, нерівності поверхні поля тощо спричиняють виникнення додаткових дотичних та нормальних напружень у з'єднуваних деталях. Для виявлення кількісної сторони навантажень згинання та кручення використовувались відомі з курсу опору матеріалів схеми розрахунків балок. Визначений напружений стан з'єднуваних деталей рамної конструкції комбайна був відтворений в лабораторних дослідженнях. Дослідженнями виявлено вплив навантажень згинання, який виражається експоненціальною залежністю, вплив навантаження згинання з крученням виражається більш прискореним зменшенням наробітку (рис. 12).

На основі детального аналізу інструкцій з експлуатації зернозбиральних комбайнів виробництва СНД виявлено наявність рекомендацій щодо регулювання крутного моменту тільки для 8-37 різьбових з'єднань (0,29 %). Технічний стан інших з'єднань пропонується визначати зовнішнім оглядом, що неминуче стає причиною виключення різьбових з'єднань зі списку обслуговування. За результатами розрахунків оптимальної періодичності ТО для коефіцієнта забезпечення 1-е=0,98 різьбові з'єднання зернозбиральних комбайнів доцільно розділити на три групи за величиною інтервалу відновлення (рис. 13). Періодичність ТО трьох груп різьбових з'єднань становить 720, 960 та 1200 мото.-год відповідно за умови середньорічного наробітку комбайна 230-250 мото.-год.

У п'ятому розділі "Розробка рекомендацій та техніко-економічна ефективність результатів досліджень у виробництві" запропоновано рекомендації із використання результатів досліджень для парку зернозбиральних комбайнів, наведено результати їх виробничої перевірки в межах України. Загальний економічний ефект для наявного парку зернозбиральних комбайнів продуктивності 9-11 кг/с при цьому становив 870,404 тис. грн. тільки внаслідок скорочення кількості різьбових з'єднань, що підлягають обслуговуванню. Зменшення кількості обслуговуваних різьбових з'єднань спрощує організацію ТО комбайнів і обумовлює більш ефективне використання площ як пересувних, так і стаціонарних пунктів ТОР, підвищує ефективність використання зернозбиральних загонів.



ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, яке виявляється в тому, що техничний стан різьбових з'єднань кріплення секції молотильного апарату впливає на виконання процесу. Граничним станом різьбового з'єднання є такий рівень послаблення, при якому амплітуда періодичних збурень сягає 1,5 - - 4-кратного значення амплітуди основних коливань.

2. На основі аналізу вібраційних навантажень на з'єднувані деталі, розроблені спосіб, методика та обладнання для оцінки експлуатаційних характеристик різьбових з'єднань, які дозволять в лабораторних умовах за короткий проміжок часу (5--10хв.) кількісно оцінити міжпрофілактичний період для коригування періодичності ТО.

Порівняно з існуючими методиками оцінки режимів ТО різьбових з'єднань нова методика за зовнішнім впливом на обидві з'єднувані деталі має такі переваги:

- простота проведення досліджень для заводів-виробників сільськогосподарської техніки (на реальній сільськогосподарській машині достатньо виміряти віброприскорення в двох взаємноперепендикулярних напрямках різьбового з'єднання);

- універсальність (можна застосовувати до будь-якої сільськогосподарської техніки),

- найбільше відображає реальні умови роботи з'єднання сільськогосподарської техніки,

- достатня достовірність (95 %).

3. Для забезпечення найбільшого напрацювання до послаблення необхідно використовувати різьбові стрижні класу міцності не менше 8.8 та гайки класу міцності не менше 8.

4. Для ефективного використання зернозбиральних комбайнів при річному навантаженні 230--250 мото.-год необхідно розділити різьбові з'єднання на 3 групи і виконувати їх ТО при досягненні наробітку:

- 60 мото.-год. -- всіх трьох груп;

- 720 мото.-год. -- першої групи;

- 960 мото.-год. -- другої групи;

- 1200 мото.-год. -- третьої групи;

- 1500 мото.-год. -- всіх трьох груп.

Наступні ТО всіх трьох груп з'єднань необхідно виконувати через кожні

240 мото.-год., або один раз перед збиральним сезоном.

5. У різьбових з'єднаннях, в яких компенсувалась неточність виготовлення елементів комбайна збільшенням отворів з'єднуваних деталей або виготовленням їх продовгуватими необхідно застосовувати плоскі шайби завтовшки 0,3 номінального діаиметра та болтів класу міцності не менше 10.9 з гайками класу міцності 10.

6. Встановлено, що транспортування сучасних зернозбиральних комбайнів своїм ходом на відстані більш ніж 8--10 км зі швидкістю більшою ніж 12--

15 км/год призводить до підвищення навантаження на різьбові з'єднання і зменшення їх наробітку до послаблення.

8. Реалізація розроблених рекомендацій дозволяє отримати річний економічний ефект в розмірі 870 тис. грн. на весь парк зернозбиральних комбайнів України пропускної здатності 9 - 11 кг/с.



список праць, опублікованих за темою дисертації

1. Михайлович Я. М. Надійність різьбових з'єднань -- фактор роботоздатності зернозбиральних комбайнів / Я. М. Михайлович, А. М. Рубець // Науковий вісник НАУ. - 2004. - Вип. 73, Ч. 2. - С. 183-187.

2. Рубець А. М. Проблема технічного обслуговування різьбових з'єднань зернозбиральних комбайнів / А. М. Рубець // Техніка АПК. - 2007. - №10. - С. 37-39.

3. Рубець А. М. Залежність зміни маси зерна в бункері від часу роботи зернозбирального комбайна / А. М. Рубець // Техніка АПК. - 2008. - №9-10. - С. 36-37.

4. Рубець А. М. Пружні коливання різьбового з'єднання в поперечному напрямку під дією двох збурюючих сил різної амплітуди, частоти та початкової фази // Науковий вісник НУБіП України. - 2009. - Вип. 134, Ч. 2. - С. 192-201.

5. Михайлович Я. М. Використання різьбових з'єднань зернозбиральних комбайнів // Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України: збірник наукових праць / Я. М. Михайлович, А. М. Рубець // Український науково-дослідний інститут прогнозування та випробування техніки і технологій для сільського господарства імені Леоніда Погорілого. - Дослідницьке, 2009. - Вип. 13 (27). - С. 301-310.

6. Пат. 31615 Україна, МПК B 25 B 23/14. Ключ динамометричний / Михайлович Я. М., Рубець А. М.; заявник і власник патенту Національний аграрний університет. - № U200715030; заявл. 29.12.07; опубл. 10.04.08, Бюл. № 7. (Здобувачу належить схема ключа та ідея конструкції тримача індикатора).

7. Пат. 31618 Україна, МПК F 16 C 3/00. Регульований ексцентриковий вузол / Михайлович Я. М., Рубець А. М.; заявник і власник патенту Національний аграрний університет. - № U200715030; заявл. 29.12.07; опубл. 10.04.08, Бюл. № 7. (Здобувачу належить схема ексцентрика та аналітичні дослідження ексцентриситету при взаємному повороті обойм).

8. Пат. 31620 Україна, МПК G 01 M 7/00. Ексцентриковий вібраційний стенд для дослідження надійності кріплення різьбових з'єднань / Михайлович Я. М., Рубець А. М.; заявник і власник патенту Національний аграрний університет. - № U200715030; заявл. 29.12.07; опубл. 10.04.08, Бюл. № 7. (Здобувачу належить схема стенда та теоретичні дослідження кінематичних параметрів стола).

Размещено на Allbest.ru