Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы обеспечения эксплуатационных свойств (ЭС) сопряжений оборудования 12
1.1. Технологии управления параметрами контактного взаимодействия как основа обеспечения ЭС сопряжений оборудования 12
1.2. Факторы, определяющие контактную жесткость и сдвигоустойчивость сопряжений оборудования 16
1.3. Герметичность уплотнительных узлов оборудования 25
1.4. Точность технологического оборудования для изготовления
и ремонта деталей машин 27
1.5. Факторы, определяющие работу сопряжений
в условиях скольжения 30
1.6. Конструкторские и технологические методы обеспечения ЭС сопряжений оборудования 34
1.7. Перспективные направления решения проблемы обеспечения ЭС сопряжений оборудования 37
1.6. Постановка задач исследования 44
Глава 2. Повышение эффективности технологического обеспечения эс сопряжений на основе методологии оценки его вариантов и параметров 48
2.1. Технологическое обеспечение создания интегрированных производственных систем (ИПС) в машиностроении 48
2.2. Выявление технологических решений обеспечения ЭС на основе описания контактной системы 60
2.3. Методология оценки вариантов и параметров технологического обеспечения ЭС сопряжений оборудования 64
2.4. Выводы по главе 2 73
Глава 3. Технологическое обеспечение контактной жесткости и сдвигоустойчивости сопряжений оборудования 75
3.1 Исследование влияния плазменнонапыленных покрытий на жесткостные свойства сопряжений 75
3.1.1. Применение высокопрочных покрытий для обеспечения ЭС сопряжений оборудования 75
3.1.2. Схема и параметры технологического процесса обеспечения контактной жесткости сопряжений с плазменнонапыленными покрытиями 80
3.2. Математическая модель для определения влияния упрочнения пористых покрытий на контактную жесткость сопряжений 87
3.3. Применение лазерной обработки поверхностей контакта для повышения сдвигоустойчивости неподвижных соединений 95
3.3.1. Влияние лазерной обработки на параметры поверхностного слоя 95
3.3.2. Метод повышения сдвигоустойчивости неподвижных соединений с помощью избирательной лазерной закалки.. 102
3.3.3. Математическая модель взаимодействия деталей с лазерной закалкой поверхностей контакта 105
3.4. Определение параметров технологического процесса избирательной лазерной закалки и выбор оборудования 108
3.5. Экспериментальное исследование контактной жесткости и сдвигоустойчивости соединений деталей ТО 115
3.5.1. Экспериментальное оборудование и лабораторные образцы...115
3.5.2. Методика проведения экспериментального исследования 125
3.6. Результаты экспериментального исследования 128
3.7. Анализ влияния комплексных управляющих воздействий на контактную жесткость и сдвигоустойчивость сопряжений оборудования 156
3.8. Выводы по главе 3 163
Глава 4. Технологическое обеспечение герметичности уплотнительных узлов оборудования 165
4.1. Технологии управления параметрами контактного взаимодействия как основа обеспечения герметичности 165
4.2. Комплексное обеспечение герметичности уплотнительных узлов оборудования 171
4.3. Устройство для измерения герметичности и контактных деформаций и его применение 175
4.4. Анализ влияния применения системы комплексных физико-технических и механических воздействий на герметичность уплотнительных узлов 183
4.5. Выводы по главе 4 190
Глава 5. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств сопряжений при малых переменных скоростях скольжения .. 191
5.1. Фрикционная модель сопряжений при наличии скольжения 191
5.2. Исследование влияния параметров контактного взаимодействия на износостойкость контактирующих поверхностей сопряжений 215
5.3. Система комплексных воздействий с целью обеспечения ЭС сопряжений в условиях малых переменных скоростей скольжения 223
5.4. Исследование эффективности технологического обеспечения ЭС сопряжений оборудования при малых переменных скоростях скольжения 237
5.4.1. Специальное оборудование для исследования влияния технологических факторов на стабильность и точность перемещений в сопряжениях 237
5.4.2. Исследование закономерностей изменения выходных параметров контактной системы в условиях скольжения при реализации комплексных воздействий 249
5.5. Адекватность фрикционной модели результатам экспериментальных исследований 259
5.6. Выводы по главе 5 263
Глава 6. Практическая реализация системы комплексных воздействий с целью обеспечения эс сопряжений оборудования 264
6.1. Технические средства, обеспечивающие реализацию технологических решений 264
6.2. Информационное обеспечение выбора варианта и параметров технологического воздействия на контактную систему 272
6.3. Примеры реализации системы комплексных воздействий с целью обеспечения ЭС сопряжений оборудования 277
Заключение 301
Список литературы 304
Приложения 324
- Факторы, определяющие контактную жесткость и сдвигоустойчивость сопряжений оборудования
- Выявление технологических решений обеспечения ЭС на основе описания контактной системы
- Математическая модель для определения влияния упрочнения пористых покрытий на контактную жесткость сопряжений
- Комплексное обеспечение герметичности уплотнительных узлов оборудования
Введение к работе
Одним из основных направлений решения проблемы повышения качества функционирования и конкурентоспособности продукции машиностроительных комплексов является обеспечение эксплуатационных свойств (ЭС) сопряжений деталей. Это обусловлено тем, что около 80% отказов машин и технологического оборудования (ТО) происходит из-за износа, потери герметичности, недопустимых и неустойчивых относительных перемещений в стыках [58], [92], [129], [135]. В современных условиях повышение работоспособности продукции машиностроения требует принципиально нового подхода к проблеме обеспечения высокого ресурса сопряжений оборудования.
Основным направлением в борьбе с износом в машиностроении было повышение твердости трущихся поверхностей путем цементирования, азотирования, хромирования, цианирования, поверхностной закалки. Однако в последнее время, в связи с повышением интенсивности рабочих процессов и ростом давления в узлах трения, традиционные методы упрочнения деталей в ряде случаев себя не оправдывают. Одной из важных причин этого является то, что площадь фактического контакта деталей при их высокой твердости в связи с возможным перекосом, шероховатостью и волнистостью поверхностей незначительна по сравнению с номинальной поверхностью трения. Это приводит к интенсивному изнашиванию поверхностей контакта. Отсюда истекает необходимость в более качественной обработке контактирующих поверхностей сопряжений машин и оборудования, достижение чего неразрывно связано с повышением точности станочных приспособлений для изготовления и восстановления деталей машин. Это особенно актуально для робототехники и средств автоматизации, изготовление элементов которых требует точности прецизионных станков.
По данным З.М. Левиной, Д.Н. Решетова [70] доля контактных деформаций составляет от 30 до 90% в общем балансе перемещений в элементах ТО. Исследованию влияния собственных и контактных деформаций на точность обработки посвящен ряд работ [72], [97], [165].
Работоспособность уплотнительных узлов ТО определяется их герметичностью. Последняя зависит от ряда факторов и, в первую очередь, от свойств активного поверхностного слоя контактирующих деталей (параметров микрогеометрии, структуры, физических, химических, механических свойств), модифицируя которые можно добиться более надежной работы уплотнительных узлов.
В настоящее время обеспечение ЭС узлов машин, технологических систем металлообрабатывающего и другого технологического оборудования осуществляется по двум направлениям: 1) изменение конструкции соединений; 2) технологическое обеспечение требуемого качества соединений. Первое направление связано с увеличением размеров сопрягаемых деталей и их номинальной поверхности контакта, применением дополнительных креплений, буртов и упоров, что предполагает возрастание металлоемкости и себестоимости.
Помимо того, применение конструкторских методов имеет существенные ограничения с точки зрения показателей назначения и условий эксплуатации. Так, дополнительные крепежные элементы малоэффективны для повышения контактной жесткости, т.к. их собственная жесткость значительно ниже по сравнению с жесткостью стыка, обеспечиваемой силой трения покоя.
Разработка отдельных конструкторских либо технологических методов без выявления всего комплекса факторов, управлением которых можно обеспечить ЭС, без связи с реальным текущим состоянием сопряжений оборудования, снижает их эффективность. Поэтому наиболее перспективными представляются технологии, базирующиеся на применении системы методов и предполагающие комплексные воздействия на стык. При этом необходимо исследование функциональных связей между показателями работоспособности и качества поверхностных слоев сопрягаемых деталей и множеством факторов, определяемых режимом работы и условиями эксплуатации, а также оптимизация последних. Подобный подход, практически не реализуемый до настоящего времени, основан на комплексных физико-технических и механических управляющих воздействиях на контактную систему. Такие воздействия позволят обеспечить ЭС сопряжений оборудования управлением параметрами контактного взаимодействия.
В настоящее время недостаточно широко применяются технологии, реализующие управляющие механические воздействия на стык в виде приложения дополнительных силовых и кинематических факторов [7], с целью получения требуемых скоростей скольжения, частот и амплитуд их колебаний, нагрузочных характеристик контакта, условий смазки, называемых [72] внешними механическими параметрами контактного взаимодействия.
Значительный интерес представляет разработка новых методов с применением физико-технической обработки соприкасающихся поверхностей. К таким методам можно отнести обработку поверхностей контакта концентрированными потоками энергии в виде плазменного и ионного воздействия, а также лазерного излучения, находящую в последнее время применение в качестве упрочняющей. Данные технологии позволяют модифицировать по заданной программе, т.е. управлять структурой поверхностного слоя, параметрами микрогеометрии, физическими, химическими, механическими характеристики контактирующих поверхностей и, в первую очередь, активного поверхностного слоя, подверженного наибольшему механическому и другим видам воздействий.
Разработка и реализация методов, позволяющих решить данную проблему, представляет собой систему технологического обеспечения совершенствования функционирования оборудования.
Существующие методики, позволяющие осуществлять выбор наиболее эффективных технологических решений, предложены в работах Ю.М. Соло-менцева, В.Г. Митрофанова, Н.М. Султан-Заде, А.Г. Суслова и других исследователей. Тем не менее, выбор того или иного направления должен быть обусловлен, помимо технико-экономической эффективности, еще и экологическим фактором, что предполагает необходимость учета, при построении расчетных моделей, позволяющих оценивать эффективность разрабатываемых технологий, показателей экологической безопасности рассматриваемых решений.
Помимо того, данные методики позволяют на этапе проектирования проводить оценку вариантов технологических решений лишь для определенного этапа жизненного цикла оборудования, что снижает их эффективность и достоверность полученных результатов. Для обеспечения эффективности технологи-
ческих решений необходимо создание методики их оценки, позволяющей выбирать оптимальное технологическое решение для этапов производства, эксплуатации и восстановления оборудования, а также корректировать его в зависимости от условий эксплуатации и фактического технического состояния.
Все вышеизложенное свидетельствует о недостаточной эффективности существующих подходов к обеспечению ЭС сопряжений оборудования и о необходимости комплексного решения данной проблемы с разработкой новых технологических решений.
Целью работы является повышение эффективности технологического обеспечения эксплуатационных свойств сопряжений оборудования на основе системы комплексных физико-технических и механических воздействий, позволяющих управлять параметрами контактного взаимодействия.
Комплекс исследований, направленных на достижение цели и решение поставленных в диссертации задач, включает основные методы, базирующиеся на теоретических достижениях технологии машиностроения, теории упругости, теории подобия, физической химии поверхностных явлений, материаловедения, микрогеометрии единичного контакта, теории деформирования пористых тел, математического моделирования.
При экспериментальных исследованиях контактного взаимодействия использовались высокоточные методы регистрации измеряемых параметров.
Научная новизна работы. На основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований и внедрения их результатов решена актуальная научная проблема, связанная с созданием научно обоснованной системы методов и средств, повышающей эффективность технологического обеспечения эксплуатационных свойств сопряжений оборудования за счет:
создания методологии оценки эффективности технологических процессов в машиностроении, позволяющей осуществлять выбор наиболее эффективного технологического решения на основе комплексного критерия, включающего технические, экономические и экологические показатели, и охватывающей этапы производства, эксплуатации и восстановления сопряжений станочного и других видов оборудования;
построения математических моделей, позволяющих установить функциональные зависимости таких эксплуатационных свойств сопряжений обору-
дования, как контактная жесткость, сдвигоустойчивость, герметичность, износостойкость, стабильность перемещений от параметров контактного взаимодействия и рассчитать параметры физико-технических и механических воздействий на сопряжения;
выявления закономерностей изменения параметров поверхностного слоя при обработке поверхностей контакта концентрированными потоками энергии, включающей напыление композиционных покрытий по разработанным технологическим схемам и избирательную лазерную закалку, модифицирующей структуру поверхностного слоя и его рельеф
выявления закономерностей изменения внешних механических параметров контактного взаимодействия при реализации механического управляющего воздействия на стык в виде наложения силовых, динамических и кинематических факторов с помощью технических устройств;
разработки системы комплексных физико-технических и механических воздействий на сопряжение, базирующейся на новых методах и технических средствах управления параметрами контактного взаимодействия, с целью обеспечения эксплуатационных свойств.
Практическая ценность заключается в комплексном решении проблемы обеспечения ЭС сопряжений оборудования. Созданная система математического и технологического обеспечения позволяет добиться:
увеличения контактной жесткости (на величину до 44 %) и сдвигоустой-чивости (на величину до 40 %) соединений, что способствует повышению работоспособности машин и многослойных станочных приспособлений при сохранении их металлоемкости;
повышения герметичности уплотнительных узлов трубопроводной арматуры ТО в 2,9 раза, а также обеспечения герметичности без применения дополнительных герметизирующих элементов;
повышения устойчивости и точности относительных перемещений в кинематических парах трения, в частности, направляющих скольжения, вращательных парах манипуляторов и промышленных роботов, износостойкости контактирующих поверхностей в 3,8 раза;
повышения эффективности оценки вариантов технологических решений на основе применения методологии оценки вариантов и параметров технологического обеспечения.
Полученные при исследовании результаты позволяют дать практические рекомендации по применению разработанных технологий на узлах реального оборудования.
На защиту выносятся:
Технологическое обеспечение контактной жесткости и сдвигоустойчи-вости сопряжений оборудования.
Технологическое обеспечение герметичности уплотнительных узлов оборудования.
Технологическое обеспечение износостойкости и точности перемещений в сопряжениях оборудования.
Схемы, параметры технологических процессов и технические средства их реализации, обеспечивающие максимальную эффективность предложенных решений.
Математические модели для исследования зависимости ЭС сопряжений оборудования от различных факторов.
Методология оценки эффективности вариантов и параметров технологического обеспечения.
Технические средства, методы и результаты экспериментального исследования зависимости ЭС сопряжений от различных факторов.
Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н., профессорам Ю.П. Сердобинцеву и В.М. Шумячеру за неоценимую помощь, оказанную в процессе написания и подготовки к защите данной диссертационной работы.
Факторы, определяющие контактную жесткость и сдвигоустойчивость сопряжений оборудования
Вопросу предварительного смещения и тангенциальной жесткости посвятили свои работы многие исследователи, начиная с П. Пэнлеве [126], обнаружившего несоответствие в ряде случаев закона Амонтона-Кулона для реальных трущихся тел. Установлено, что наиболее общими характеристиками, от которых зависит тангенциальная жесткость, являются механические, геометрические и фрикционные.
По мере изучения явления предварительного смещения ученые предлагали новые представления о факторах, влияющих на тангенциальную жесткость контактирующих пар. Так, И. В. Крагельский [89] показал, что предварительное смещение связано с преодолением связей, обусловленных взаимным внедрением поверхностей трения. Он делает вывод о возрастании жесткости связи при увеличении продолжительности неподвижного контакта и нормальной нагрузки. Теория И. В. Крагельского получила название молекулярно-механической в отличие от предложенной английскими учеными Ф.Боуденом и Д. Тэйбором адгезионной теории, в которой большое значение придается межмолекулярному взаимодействию контактирующих тел.
Чрезвычайно важным следует считать открытие И. Р. Коняхиным явления так называемого второго возврата, заключающегося в том, что после предварительного смещения по любому направлению и после снятия сдвигающего усилия уменьшение нагрузки вызывает смещение образца в направлении, противоположном прямому смещению. Последующие изменения нормальной силы смещения образца уже не вызывают. Данное явление позволяет выделить упругие деформации в контакте из общих.
В работах Д. Н. Решетова, 3. М. Левиной и В. Н. Кирсановой [97,130,131] помимо прочего установлено, что наличие в контакте относительно маловязкого масла незначительно снижает коэффициенты упругого смещения fy и трения покоя / Также подтверждается положение И.В. Крагельского о зависимости тангенциальной жесткости от продолжительности неподвижного контакта, причем установлено , что увеличение времени контакта с 5 мин до 2,5 ч повышает коэффициент трения на 25ч-30 %. Кроме того, в работе [131] исследуется влияние на тангенциальную жесткость штифтов, шпонок и т. д. Эти исследования показали, что в условиях упругих смещений их влияние незначительно.
В работе [109] рассмотрена зависимость коэффициента трения и величины смещения от направления силы сдвига по отношению к следам механической обработки поверхности. Установлено, что наибольшей тангенциальной жесткости соответствует сдвиг поперек следов обработки при их совпадении на контактирующих деталях. Кроме того, выявлена зависимость тангенциальной жесткости от чистоты обработки контактирующих поверхностей: более гладкой поверхности соответствует большая прочность стыка в тангенциальном направлении.
Факторы, влияющие на нормальную жесткость, аналогичны факторам, оказывающим влияние на тангенциальную жесткость, поскольку касательное и нормальное напряжение связаны соотношением x=f -а.
Одним из основных факторов, оказывающих влияние на нормальную контактную жесткость является механический. В работах [97], [134] отмечается, что упругие перемещения при давлениях до 5 МПа различаются на величину до 20-г25 %. Однако это значительно меньше, чем разница их модулей упругости, что обусловлено различием в форме микронеровности поверхности.
Сравнение контактной жесткости в покое и движении показывает [70], что в условиях установившегося движения жесткость стыка остается постоян ной, немного меньшей (до 15ч-20 %) жесткости стыка в покое до скорости движения 100 мм/мин.
Для обильно смазанных стыков повышение нормальной контактной жесткости в 1,5-г2 раза вызывают свободные колебания. Жесткость несмазанных стыков при статическом деформировании и колебаниях одинакова [97]. Рассмотрим работу неподвижных соединений при наличии сдвигающих нагрузок.
Согласно [92] сопряжения делятся на два основных вида. Первый вид -узлы трения покоя. К ним относятся сопряжения и рабочие органы машин и механизмов, в которых сила трения используется для предотвращения относительного перемещения. В этих сопряжениях имеет место сила трения покоя. Ко второму виду относятся сопряжения, работающие в условиях относительного скольжения.
В свою очередь первый вид сопряжений подразделяется на две группы. К первой относятся соединения деталей, в которых не допускается относительное проскальзывание (соединение с натягом, заклепочные), а также различные передачи, в которых передаваемый момент или сила ниже соответствующих значений момента и силы трения покоя (фрикционные передачи, захваты и т. д.).
Вторую группу составляют фрикционные узлы, в которых реализуется сила трения покоя, но работа их характеризуется относительным скольжением элементов (муфты сцепления, тормоза и др.).
Многие узлы рабочих органов и базовых машин подвержены действию сдвигающих нагрузок. Недостаточная сдвигоустойчивость может привести к возникновению внезапного отказа машины в целом. Основной задачей при проектировании и изготовлении деталей соединений является обеспечение их работоспособности в течение заданного срока службы при минимальной стоимости изготовления и эксплуатации. Тем не менее проблема обеспечения сдвиго-устойчивости неподвижных сопряжений решалась в основном увеличением габаритов деталей и применением дополнительных элементов крепления. Су шествует необходимость оптимизации параметров, влияющих на работоспособность деталей машин и их сопряжений, то есть поиск, нахождение и реализация наиболее целесообразных (оптимальных) решений. При использовании вычислительной техники, благодаря высокому быстродействию ЭВМ и большой емкости памяти, число возможных вариантов неизмеримо возрастает, и оптимизация проводится сразу по нескольким критериям и параметрам [8]. Ниже приведены некоторые примеры неподвижных сопряжений деталей.
На рис. 1.2 изображен элемент крепления рабочего органа бульдозера. В свою очередь к раме крепятся толкающие брусья отвала. Плоский прямоугольный стык рама - кронштейн воспринимает сдвигающее усилие от сил сопротивления грунта резанию
Выявление технологических решений обеспечения ЭС на основе описания контактной системы
Для поиска технологий, позволяющих с наибольшей эффективностью обеспечивать требуемые ЭС сопряжений ТО, необходимо исследование функциональных связей между показателями работоспособности, качеством поверхностных слоев сопрягаемых деталей и множеством факторов, определяемых режимом работы и условиями эксплуатации. Это позволит рассматривать сопряжение как контактную систему, определить факторы, управляя которыми можно обеспечить требуемые ЭС сопряжений ТО, а также сами ЭС, обеспечиваемые подобным управлением.
Представление любого объекта в виде системы предполагает наличие «входов», «выходов», модели системы с выявлением параметров, описывающих ее состояние, а также прямых и, обратных связей между элементами системы, «входами», «выходами» [156]. Под контактной системой при этом понимается внутренне скоординированная и имеющая определенную структуру совокупность взаимно сопряженных деталей. Сама совокупность представляет состав системы, а связи и взаимоотношения в ней - структуру.
«Входами» контактной системы являются воздействия на нее с целью управления параметрами, определяющими ее состояние, и неуправляемые факторы (воздействие окружающей среды). «Выходы» характеризуют реакцию контактной системы на управляющие воздействия (изменение ЭС сопряжения) (рис. 2.7). Структурная схема позволяет выделить в общем спектре внешних воздействий на контактную систему комплексные управляющие воздействия, формируемые как система методов.
Ниже приведены все выявленные типы связей, существующих в контактной системе. горизонтальные связи первого рода, обусловленные взаимосвязью вариантов и параметров воздействий на контактную систему, а также взаимным влиянием технологических решений (техногенных воздействий) и окружающей среды. Так, нанесение неоплавляемых покрытий, обладающих значительной пористостью, на контактирующие поверхности сопряжений (физико-техническое воздействие) вызывает необходимость применения механического управляющего воздействия (например, поверхностного пластического деформирования) с целью упрочнения напыленного слоя (см. главу 3).
Приложение к стыку дополнительного сдвигающего усилия (механическое управляющее воздействие) с целью повышения его герметичности вызывает необходимость применения концентрированных потоков энергии (физико-механическое воздействие) для повышения силы трения покоя (см. главу 4).
Высокие и низкие температуры окружающей среды, высокие давления ограничивают применение герметизирующих элементов уплотнительных узлов и вызывают необходимость физико-технических и механических воздействий с целью обеспечения герметичности. В свою очередь, реализация любых технологических решений сопряжена с образованием твердых, газообразных и других видов отходов, негативно воздействующих на окружающую среду. горизонтальные связи второго рода обусловленные взаимозависимостью параметров, определяющих состояние контактной системы (параметры микрогеометрии, физические, химические, механические параметры и структура поверхностного слоя, внешние механические параметры). Так, изменение контактных напряжений и скоростей скольжения в сопряжении приводит к существенному изменению механизма формирования параметров микрогеометрии, особенно в период приработки. Геометрические параметры контактирующих поверхностей оказывают значительное влияние на величину и характер распределения контактных напряжений. прямые связи первого рода. Они предполагают изменения параметров контактного взаимодействия при комплексном физико-техническом и механическом воздействии на контактную систему и неуправляемом воздействии окружающей среды.
Детально закономерности изменения параметров контактного взаимодействия при реализации различных технологический воздействия на сопряжения исследованы в главах 3-5. прямые связи второго рода, обусловленные зависимостью рассматри ваемых ЭС сопряжений ТО от параметров контактного взаимодействия. Логич но предположить, что существуют и неявные прямые связи между вариантами, параметрами воздействий на контактную систему и ее ЭС. Установлению функциональных зависимостей ЭС сопряжений ТО от параметров контактного взаимодействия, а также от вариантов и параметров технологического воздействия посвящены главы 3-5. 5 - обратные связи первого рода. Предполагают изменение параметров технологического воздействия, а также воздействие на окружающую среду при изменении параметров контактного взаимодействия. Так, увеличение нагрузки на вал вызывает возрастание деформации в подшипниковой опоре, что, при на личии встроенных в нее датчиков, является сигналом к применению механиче ского воздействия с целью снижения коэффициента трения. Возрастание температуры вследствие высоких скоростей скольжения в контакте также оказывает влияние на окружающую среду. 6 - обратные связи второго рода, обусловленные изменением параметров системы при изменении выходных параметров. Например, изменение заданной скорости скольжения при потере устойчивости перемещений, вызванной фрикционными автоколебаниями (см. главу 5). 7 - обратные связи третьего рода - связи между выходными и входными параметрами, т.е. ЭС сопряжений ТО и параметрами и вариантами технологического воздействия, а также окружающей средой. Например, увеличение сдви-гоустойчивости сопряжения дает возможность приложения к нему дополнительного сдвигающего усилия с целью повышения герметичности (см. главу 4). Потеря герметичности уплотнительных узлов приводит к загрязнению окружающей среды вследствие утечек рабочих жидкостей и газов.
Следует отметить, что в качестве диагностического сигнала, служащего источником информации о необходимости применения того или иного варианта воздействия, предпочтительнее применять информацию о параметрах контактной системы, т.е. о параметрах контактного взаимодействия, по сравнению с информацией о выходных параметрах. Это позволит в процессе выполнения технологической операции осуществить превентивный контроль за функционированием сопряжений и принимать решения о необходимости воздействия до наступления отказа или предельного состояния.
Таким образом, рассмотрение сопряжения как системы позволяет выявить не только параметры системы и ЭС, обеспечить которые можно управлением данными параметрами, но и технологии, применение которых позволит решить данную проблему.
Методология включает алгоритм (см. рис. 1.12), модели, критерии, методы и средства поиска, выбора и реализации наиболее эффективного технологического решения.
С целью оптимизации технологических решений для обеспечения ЭС сопряжений ТО до настоящего времени применяются методики, позволяющие на этапе проектирования проводить оценку вариантов технологических решений лишь для определенного этапа жизненного цикла ТО, что снижает их эффективность и достоверность полученных результатов. Для обеспечения эффективности технологических решений необходимо создание методологии их оценки, позволяющей выбирать оптимальное технологическое решение для этапов производства, эксплуатации и восстановления ТО, а также корректировать его в зависимости от условий эксплуатации и фактического технического состояния.
Кроме того, выбор технологических решений должен быть обусловлен, помимо технико-экономической эффективности, еще и экологическим фактором, что предполагает необходимость учета, при построении расчетных моделей, позволяющих оценивать эффективность разрабатываемых технологий, показателей экологической безопасности рассматриваемых решений.
Математическая модель для определения влияния упрочнения пористых покрытий на контактную жесткость сопряжений
В основу теоретического определения контактных сближений поверхностей и исследования влияния плазменнонапыленных покрытий на контактную жесткость сопряжений положим модель, разработанную А.Г. Сусловым [161].
Контактные сближения поверхностей происходят как за счет деформации микронеровностей, так и за счет деформации нижележащих слоев. Эти деформации происходят в результате упругого погружения образовавшейся зоны пластических деформаций в основной металл. В работе [161] рассматриваются два случая определения контактных сближений двух шероховатых поверхностей в зависимости от взаимного положения контактирующих выступов.
При параллельном взаимном положении контактирующих выступов второй поверхностей; А - нагрузка, приходящаяся на единичный выступ; ці, ц2 - коэффициенты Пуассона контактирующих тел; С" - коэффициент стеснения, С= 4,78- Н\\. ПОв/Нцисх, где Яцпов - поверхностная микротвердость; Ядисх - микротвердость исходного материала; стТі,аТ2 - пределы те 88 кучести первого и второго соприкасающихся тел; Е\, Ег- модули упругости контактирующих тел; ці, u-2 - коэффициенты Пуассона контактирующих тел. При параллельном взаимном положении контактирующих выступов где Асі, Ас2 - контурные площади касания контактирующих тел; Rn, Rp2 - высоты сглаживания микронеровностей контактирующих поверхностей (рас -стояние между средней линией и линией выступов); bj, 2, Vi, V2 - параметры начальных участков кривых опорных поверхностей контактирующих тел; Кг -коэффициент, зависящий от vi и V2. Поскольку в нашем случае обе контактирующие поверхности подвергнуты одному виду механической обработки, уравнения (3.3) и (3.4), полученные А.Г. Сусловым, несколько упростятся и примут вид при параллельном взаимном положении выступов контактирующих выступов
Для определения контактного сближения шероховатых поверхностей с наличием волнистости в полученные уравнения (3.3 - 3.8) вместо параметров Ъ и v подставляем параметры свернутой опорной кривой b и ц которые определяются из следующих уравнений [135], [161] где bw и иг - параметры начального участка опорной кривой волнистости, определяемые из уравнений [99] где Avp - относительная опорная площадь волнистости на уровне средней линии. Экспериментальные исследования показали, что twp= 0.5.
Как видно из формул (3.1) - (3.12), жесткость контакта определяется физическими, химическими, механическими параметрами и параметрами микрогеометрии контактирующих тел. Напыленный слой обладает отличными от исходного материала как физико-механическими, так и геометрическими характеристиками.
Наличие пор в неоплавленных покрытиях оказывает влияние на контактную жесткость сопряжений. В процессе нагружения сопряжения нормальной силой происходит уплотнение напыленного слоя, когда размеры пор убывают. Поскольку в нашем случае давление в сопряжении значительно ниже предела текучести твердой фазы (с = 520 МПа), выдавливанием материала можно пренебречь [64]. Поэтому будем рассматривать уплотнение напыленного слоя как прессование в закрытой матрице (рис. 3.22).
В начальный момент плотность распределяется равномерно: р0= р = const для/ = 0. Закон сохранения массы выражается уравнением неразрывности, которое в нашем случае имеет вид где dz(pV) - скорость деформирования, z -координата очага деформирования. Тогда уравнению неразрывности можно придать форму где р = dp/dt
Интегрируя, получаем соотношение рп = с = const, которое выражает закон сохранения массы во всем деформируемом объеме. Поскольку при to = О, h = =ho, р = ро, то с = p-h. Таким образом, P = (po-hoWt). Давление на пуансон & = - ст зависит только от р [64], а боковое течение материала отсутствует (ст « стт), т.е. можно записать уравнение неразрывности в виде При этом где от сдв - предел текучести на сдвиг твердой фазы, Л - коэффициент, удовлетворяющий условиям, при которых (3.16) отражает реальное поведение материала согласно теории деформирования пористых тел (0,5 ро 1). После преобразования выражение (3.16) запишется в виде
Таким образом, имеем неполное кубическое уравнение. Для решения (2.17) относительно р воспользуемся формулой Кардано для отыскания корней кубического уравнения над полем комплексных чисел. Обозначим Применяя эту формулу, нужно для каждого из трех значений кубического корня брать то значение корня для которого выполняется условие а-р = -а/3 (такое значение корня р всегда существует). Корень является действительным или мнимым в зависимости от знака дискриминанта уравнения D = -27-o2 -4-а3 = -108-( а2 /4+а3 /27). При 0 все три корня уравнения действительны и различны. При D 0 все три корня различны, причем один корень является действительным, а два других - сопряженными мнимыми числами. При d=0 все корни действительны, причем ОФО имеется один двукратный и один однократный корень, а при а=0 -один трехкратный корень. Поскольку а = 1/Л (G/GT СДВ) 0, очевидно, что D 0 и имеет место второй случай. Таким образом, уравнение (3.17) имеет один действительный корень. Для определения зависимости механических характеристик уплотняемого материала от его текущей плотности введем параметр упрочнения %. Согласно теории деформирования пористых тел, а также (3.15) и (3.16) где ро - относительная исходная плотность слоя. Решив (3.19) для граничных условий (при р0 = 0,5 и % = 1), получим Л=0,638. Параметр упрочнения % учитывает зависимость механических свойств материала от его текущей плотности. В результате введения в формулы (3.1) -(3.8) параметра упрочнения получим зависимость сближения образцов от прикладываемой нагрузки с учетом относительной плотности напыленного слоя. В общем виде величина контактных сближений с учетом пористости и упрочнения напыленного слоя где 7В - деформация вершин микронеровностей; Yc - деформация за счет внедрения микронеровностей в нижележащие слои. Согласно (3.17), предел текучести напыленного слоя является функцией его плотности. Поэтому, введением в модель А.Г. Суслова параметра упрочнения напыленного слоя, выражение для определения величины контактных сближений при параллельных следах обработки можно записать следующим образом:
Комплексное обеспечение герметичности уплотнительных узлов оборудования
В разделах 3.1 и 3.2 было сделано предположение о возможности применения концентрированных потоков энергии для повышения контактной жесткости соединений. Высокопрочные покрытия позволяют добиться повышения нормальной контактной жесткости стыка путем улучшения физико-механических свойств контактирующих поверхностей и параметров геометрии (увеличение радиусов закругления вершин микронеровностей). При этом следует учесть, что согласно выражениям (4.1), (4.2) более высокие прочностные и жесткостные параметры обеих контактирующих поверхностей приводят к снижению герметичности. В то же время герметичность стыка возрастает с увеличением радиусов закругления вершин микронеровностей.
Таким образом, для повышения герметичности стыков необходимо разработать способ модифицирования активного поверхностного слоя, приводящий к олучению структуры с лучшими физико-механическими характеристиками по равнению с исходным материалом на локальных участках. При совмещении упрочненных участков поверхности одной детали с неупрочненными другой возрастает деформирование микронеровностей последних. Это приводит к увеличению фактической площади и снижению утечек в контакте. В то же время поверхность после обработки должна обладать лучшими с точки зрения контактной жесткости характеристиками микрогеометрии.
Описанная в разделе (3.3) технология избирательной лазерной закалки, применяемая для повышения сдвигоустойчивости сопряжений, может быть применена для повышения герметичности уплотнительных узлов ТО. Появление в зоне контакта участков повышенной твердости приводит к перераспределению напряжений и внедрению более твердого материала в зонах лазерного влияния в материал контртела при приложении к стыку нормальной нагрузки.
В результате линия контакта приобретает волнообразный характер, а образующиеся волны препятствуют сдвигу поверхностей при приложении тангенциальной нагрузки. Из выражения (4.2) следует, что приложение тангенциальной нагрузки приводит к повышению герметичности стыка. Максимальное значение сдвигающего усилия при этом ограничено величиной, при достижении которой происходит раскрытие стыка. Следовательно, большей герметичности сопряжения можно добиваться, прикладывая к одной из контактирующих деталей сдвигающее усилие, не превышающее силы трения покоя Г, причем Г— max. Иными словами, технологическое обеспечение герметичности уплотнительных узлов машин представляет собой управляющее воздействие на стык, поверхности контактирующих деталей которого подвергнуты избирательной лазерной закалке.
В [7] предложен способ сборки неподвижных разъемных соединений, позволяющий повысить контактную жесткость и герметичность стыка. Сущность способа заключается в приложении по мере затяжки сдвигающей силы Р, равной силе трения покоя от силы затяжки. Сила затяжки N] на первой ступени на 173 гружения принимается в зависимости от максимальной допустимой нагрузки іУдоп для стыковочного узла и может быть равна (0,5-0,8)A on. В свою очередь, Nxon определяется началом пластического смятия неровностей согласно [91].
Затем осуществляют вторую ступень нагружения. При этом N2 = (0,2-0,5)Nmn. Т.к. после первой ступени нагружения существенно возрастает площадь фактического контакта за счет ввода в контакт боковых поверхностей шероховатостей, то вторая ступень характеризуется существенным возрастанием контактной жесткости стыка. При реализации метода формируется площадь контакта, близкая к предельной для данного стыка, что подтверждено измерением контактного сопротивления. Программа нагружения представлена на рис.4.3. Количество ступеней нагружения может быть увеличено. Каждую последующую ступень следует осуществлять по истечении некоторого периода времени, определяемого релаксацией напряжений в крепежных болтах.
Недостатком метода является ограничение его функциональных возможностей силой кулоновского трения для гладких поверхностей. Данный недостаток может быть устранен применением избирательной лазерной закалки по описанной выше технологии. При этом стыкующиеся детали устанавливают так, чтобы дорожки лазерной закалки контактирующих поверхностей располагались перпендикулярно прикладываемым в процессе нагружения сдвигающим нагрузкам (рис.4.4). Иными словами повышение герметичности уплотнитель-ного узла может быть достигнуто комплексными физико-техническими и механическими управляющими воздействиями на стык, реализуемыми применением избирательной лазерной закалки поверхностей контакта и программы ступенчатого нагружения. Подобная система технологического обеспечения позволяет добиться обеспечения требуемой герметичности в фазах производства, эксплуатации и восстановления оборудования за счет модифицирования параметров контактного взаимодействия
Несомненный интерес представляют сравнительный анализ двух рассмотренных в данной работе моделей для расчета реальных стыков на герметичность, а также сравнение полученных результатов с экспериментальными.
Методика проведения экспериментов по определению герметичности стыков и анализ экспериментальных результатов представлены в разделе 4.3.
В данном разделе описывается устройство, предназначенное для измерения и регистрации контактных деформаций и герметичности сопряжений при одновременном действии сжимающих и сдвигающих нагрузок, а также исследования зависимости герметичности от тангенциальной жесткости стыка. Достоинствами разработанного устройства по сравнению с существующими аналогами являются возможность исследования герметичности стыка при наличии сдвигающих нагрузок, присутствующих в реальных условиях работы уплотни-тельных узлов, а также расширение функциональных возможностей при одновременном повышении точности измерений вследствие уменьшения объемной деформации испытуемых образцов и снижения побочных утечек рабочей среды (жидкость или газ).
На данное устройство была подана заявка и получен патент на изобретение [120]. стройство для измерения контактных деформаций и герметичности, представленное на рис.4.5, содержит корпус, выполненный в виде герметичной камеры 1, герметичность которой обеспечивается при помощи прокладки 2. В стенке 3 камеры 1 имеется отверстие 4. Имитатор стыка состоит из первой 5 и второй б частей. Первая часть 5 имитатора стыка герметично установлена в отверстии стенки 3 при помощи прокладки 7. В первой 5 части имитатора стыка выполнено отверстие 8 соосно отверстию 4 стенки 3. Трубка 9 концом, снаб женным торцом 10 соосно установлена в отверстии 8 первой части 5 имитатора стыка и отверстии стенки 3, а торец 10 образует полость 11 между первой частью 5 и плоской поверхностью второй части 6 имитатора стыка. Свободный конец трубки 9 размещен в полости герметичной камеры /. Упругий элемент выполнен в виде жесткого сильфона, впаянного в крышку 13, которая при помощи прокладок 14 герметично закреплена на гайке 15. Упругий элемент 12 установлен на свободном конце трубки 9 с герметичной установкой первой части 5 имитатора стыка в отверстии 4 стенки 3 за счет сил сжатия сильфона. Стержневой толкатель 16 выполнен с лыской и установлен в трубке 9 с возможностью возвратно-поступательного движения, а лыской стержневого толкателя 16 и внутренней поверхностью трубки 9 образован канал 17. Полый корпус датчика 18 перемещений стержневого толкателя 16 выполнен в виде упругого сильфона 19, снабженного крышкой 20, которая герметично посредством прокладки 21 закреплена на гайке 15. Герметичная полость 22, образованная при этом, сообщена посредством канала 77 с полостью 11. Гайка 75 посредством втулки 23 прокладки 14 герметично установлена на трубке 9 посредством резьбового соединения 24. В полости 22 жестко установлен чувствительный элемент 25, герметично связанный с регистрирующим прибором 26. Стержневой толкатель 16 размещен в полости 22 корпуса датчика 18 перемещений с возможностью взаимодействия с чувствительным элементом 25, а гайка 28 и пружина 29 закрепленная на гайке 15, обеспечивает равновесие стержневого толкателя 16. В толкателе 30 зафиксирована вторая часть 6 имитатора стыка при помощи болта 31 с гайкой 32. Нагружающее приспособление (не показано) в толкателе 30 создает сдвигающее усилие в заданном направлении на вторую часть 6 имитатора стыка. Штуцер 33 и запорный орган 34 снабженный крышкой 35, клапаном 36 обеспечивает сообщение полости герметичной камеры 1 через канал 38, а также полости 11 через канал 39 и отверстие 40 в трубке 9 с источником давления (не показан) и атмосферой. Палец 41 пресса (не показан) через установленный на оси 42 подшипник 43 создает сжимающее усилие на вторую часть 6 имитатора тыка. На первой части 5 имитатора стыка установлен датчик 44 тангенциальных перемещений второй части 6 имитатора стыка. Датчик 44 связан с регистрирующим прибором 26.
Устройство работает следующим образом. При сборке устройства герметично устанавливают первую часть имитатора стыка при помощи прокладки 7 в стенке 3 камеры 1 так, чтобы конец стержневого толкателя выступал над контактирующей поверхностью этой части имитатора. Устанавливают на нее вторую часть 6 имитатора, которая входит в контакт со стержневым толкателем 16 и вызывает его перемещение на некоторую величину, фиксируемую регистрирующим прибором 26 и принимаемую за начало отсчета. Соединяют с атмосферой посредством штуцера 33 и запорного органа 3 полость камеры 1 устройства и полость 11, при этом в них и в полости 22 корпуса датчика 18 перемещений стержневого толкателя 16 создается атмосферное давление. Устанавливают датчик 44 на первую часть 5 с касанием со второй частью 6 имитатора стыка, фиксируют начальное показание регистрирующим прибором 26. Создают необходимую нагрузку подшипником 43 на имитатор стыка, при этом происходит деформация стыка в нормальном направлении, вызывающая перемещение стержневого толкателя 16, что фиксируется чувствительным элементом 25, связанным с регистрирующим прибором 26. Прикладывают сдвигающую нагрузку в тангенциальном направлении посредством толкателя 30, при этом происходит деформация стыка в нормальном и тангенциальном направлениях, что фиксируется чувствительным элементом 25 и датчиком 44 соответственно, связанными с регистрирующим прибором 26. Так обеспечивается измерение контактных деформаций стыка во взаимно перпендикулярных направлениях: нормальном и тангенциальном при приложении сжимающих и сдвигающих нагрузок. Установка датчика 44 на первой части имитатора стыка 5 и выполнение второй части с плоской контактирующей поверхностью позволяют исключить из отсчета ошибку, вызванную объемной деформацией контактирующих частей имитатора стыка при действии на них нагрузок.
