CC BY
4
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 621.815
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-530-531
ПЕРСПЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ НЕРАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГОМ
В СИСТЕМЕ ВАЛ-ВТУЛКА
В.Е. Зиновьев, Н.В. Зиновьев
Рассмотрены недостатки существующей технологии создания неразъемных соединений с натягом для передачи больших крутящих моментов и предложена перспективная технология с применением втулочного герметика-фиксатора с одновременным снижением натяга в сопряжении. Разработанная технология позволяет снизить контактные напряжения в соединении, уменьшив натяг с одновременным повышением несущей способности конструкции с увеличением параметра ремонтопригодности, что положительно сказывается на экономической составляющей изготовления узла.
Ключевые слова: посадка с натягом, технология машиностроения, крутящий момент, клеевое соединение, система вал-втулка.
Тенденции развития современного отечественного машиностроения завязаны на увеличении производительности и энергоэффективности технологических машин. Ввиду этого, нагрузки, оказывающие воздействие на узлы и агрегаты машины в целом, неуклонно возрастают. В гонке за повышением производительности технологического транспорта перед конструктором все время стоит задача создания узла, способного воспринимать колоссальные статические и динамические нагрузки.
Технология проектирования и производства современных редукторов транспортных машин позволяет создавать подобные узлы, однако запас их прочности все время снижается. Связано это как правило со следующими ключевыми причинами [1]:
1.Удешевление себестоимости производства узла- производителю не выгодно закладывать соответствующие режиму работы коэффициенты запаса, отсюда появляется тенденция умышленного снижения качества и надежности конструкции, вследствие чего диапазон рабочих нагрузок зачастую находятся вплотную к пиковым нагрузкам.
2.Технология изготовления тяжело нагруженных узлов транспортных машин в отечественной промышленности отстает от технологии зарубежных производителей- как следствие низкое качество производства не способно изготовить узлы, воспринимающие увеличенные нагрузки.
3.В процессе эксплуатации технологического транспорта фактические нагрузки, действующие на узлы, постоянно увеличиваются- техника используется с перегрузом, при чем зачастую фактические нагрузки начинают превышать расчетные. Как итог- гарантированный выход техники из строя раньше регламентного.
Что касается технологии производства- наибольшую популярность при производстве коробок передач и редукторов имеет технология запрессовки. С помощью прессовых посадок осуществляется сборка валов и шестерен, валов и подшипников. Преимущества и недостатки таких соединений не раз описаны в научной литературе [2]. Однако стоит выделить, что технология создания неразъемного соединения путем запрессовки делится на две основные группы:
продольная запрессовка, предполагающая приложение к сопрягаемым деталям осевой силы, в следствие которой происходит смещение в заданное положение.
поперечная запрессовка, предполагающая нагревание (охлаждение) одной или обеих сопрягаемых деталей.
Однако возможна так же запрессовка с одновременным применением обеих технологий[3]-когда посадка имеет большой натяг. Именно такая посадка способна воспринимать большие моменты, однако при такой технологии изготовления могут возникнуть различные задачи и проблемы, решение которых будет рассмотрено в данной статье.
Параметры сопрягаемых ДСЕ
Наименование Материал Улучшение Диаметр сопрягаемых поверхностей Шероховатость поверхности Подготовка к посадке
Вал-Шестерня Сталь 40Х ГОСТ 4543-71 Цементация сопрягаемой поверхности ,,+0,29 О3+0,10 Ra 1,25 Нагрев до 150оС
Шестерня Сталь 12ХН3А ГОСТ 7417-75 Цементация сопрягаемой поверхности 63+0,019 Ra 1,25 Охлаждение до 25оС
Так, при производстве бортовых редукторов для наземных технологических машин используется сборочная единица в виде вала-шестерни с напрессованным на него зубчатого колеса (Рис. 1).
Данная ДСЕ имеет следующие характеристики, приведенные в таблице.
Для создания такого соединения требуется нагрев шестерни с последующей запрессовкой на вал-шестерню. Усилие запрессовки в данном случае составляет около 60 т. Все это делается для того, чтобы через данную сборочную единицу проходил крутящий момент около 14 кНм. При помощи программного комплекса Kisssoft® были получены минимальное значение натяга- 28 мкм и максимальное -32 мкм. Так же, согласно расчетам, необходимое усилие запрессовки составляло порядка 80 т.
Рис. 1. Сборочная единица- Вал-шестерня в сборе с шестерней
На практике же, при попытке создать посадку с гарантированным натягом в 30 мкм производство сталкивалось с проблемой- при данных параметрах прессового соединения шестерня лопалась после остывания (рис. 2). При чем разрушение могло происходить через несколько суток после производства сборочной единицы. Далее произведем анализ возникновения вышеописанного дефекта [4,5].
Необходимо учитывать, что программный комплекс хоть и позволяет комплексно оценить качество проектируемого соединения, но подбор коэффициентов, участвующих в расчетах остается не связанным с реальностью, отчего любые теоретические расчеты теряют привязку к фактическим значениям, получаемым в результате опытов. Так, при испытании вала-шестерни в сборе с шестерней наблюдалось многократное превышение значения фактического крутящего момента к расчетному. Отсюда первый вывод- фактически требуемый натяг варьируется в пределах 23-26 мкм. При уменьшении натяга до 25 мкм собираемость улучшилась- требуемое усилие запрессовки снизилось до 40 т., а фактический пропускаемый крутящий момент в посадке остался так же в границах 14 кНм.
При анализе расчетов было выявлено, что суммарно коэффициент Пуассона, коэффициент запаса прочности, округления и иные погрешности в единицах и коэффициентах интегрально приводят к существенному разрыву фактических показателей к теоретическим [6].
Одновременно с этим стоит отметить, что сборка данного узла подразумевает несколько основных этапов [7,8], правильность выполнения которых имеет прямую зависимость от качества сопряжения.
Первый этап- подготовительный, заключается в тщательном контроле сопрягаемых деталей на предмет различного рода дефектов. При некачественном анализе возможно допустить вовлечение в производство бракованных деталей, что приводит к резкому ухудшению качества сопряжения и снижению срока службы изделия. На практике при анализе происхождения брака (рис. 2), возникшего в результате создания сборочной единицы (рис. 1), было выявлено наличие микротрещин на сопрягаемой поверхности шестерни, что негативно сказалось на производстве.
Второй этап- разогрев шестерни до 150 градусов цельсия для создания продольно-поперечной запрессовки. На данном этапе так же возможно допущение ошибок- после нагревания шестерни длительное время оставались без поддержания заданной температуры ввиду низкой производительности участка запрессовки. Как следствие-фактическая температура запрессовки составляла около 85 градусов, что привело к увеличению силы натяжения и увеличению контактных напряжений в сопряжении [9].
Третий этап- непосредственно запрессовка шестерни на вал-шестерню. При выполнении данного этапа так же могут возникнуть отклонения, приводящие к существенному снижению качества и возникновению брака -при запрессовке вал-шестерня смазываются Литолом. В промежутке между установкой в пресс вала-шестерни и нанесения смазки слесарями допускается налипание грязи, пылинок, мелких частичек стружки, что приводит к возникновению концентраторов напряжений в сопряжении. Учитывая наличие микротрещин в шестерни, данное нарушение приводит к расколу вала-шестерни при остывании.
Четвертый этап- охлаждение и установка сборочной единицы в состав редуктора. На данном этапе при неравномерном и быстром охлаждении возникают увеличенные контактные напряжения и увеличенные деформации в структуре шестерни, что так же приводит к браку.
Ошибки на каждом из этапов-от проектирования до производства приводят к огромному количество брака, снижению качества и надежности узлов транспортно-технологических машин, что в глобальном плане полностью дискредитирует перед потребителем отечественную машиностроительную промышленность.
Технология машиностроения
Далее стоит рассмотреть пути решения возникающих проблем. Тут так же необходимо выделить основные группы, такие как:
1. Устранение ошибок проектирования- необходимо пересмотреть способы расчета посадок с натягом на этапе проектирования. Правильный подбор коэффициентов при проектировании способен существенно снизить разрыв между теоретическими и практическими значениями.
2. Совершенствование технологии производства посадок с натягом для восприятия повышенных нагрузок и передачи больших крутящих моментов. Выделим несколько направлений решения поставленной задачи:
- Повышение квалификации рабочих для устранения нарушений в технологии производства.
-Введение дополнительного контроля со стороны инженеров-технологов, инженеров-конструкторов, отдела технологического контроля за производственным процессом.
-Применение альтернативных методов создания прессовых посадок, с учетом достижений импортных и передовых отечественных разработок, таких как применение клеевых соединений при помощи специальных составов, таких как Loctite® 648, 620, 638, либо отечественного аналога Полилок® [10].
Рис. 2. Брак запрессованной шестерни
В научной литературе [11] и на практике существуют отдельно взятые технологии применения клеевых соединений в системе вал-втулка, однако данные технологии имеют ряд нюансов, препятствующих ее применению в условиях массового производства, таких как отсутствие однозначного понимания принципов работы клеевого состава в соединении в зависимости от характеристики сопрягаемых поверхностей. Так, учитывая ранее описанную технологию создания неразъемного прессового соединения- если поверхность вала будет шлифованной для обеспечения качественной посадки с натягом- параметры взаимодействия клеевого состава с отшлифованной поверхностью будут неудовлетворительны. С другой стороны, в случае увеличения шероховатости сопрягаемых поверхностей для улучшения адгезии в посадке создаются концентраторы напряжений, которые существенно снижают качество сопряжения [12]. Более того, на данный момент практически все клеевые составы кристаллизуются при температуре около 90 градусов Цельсия, однако для создания посадки, способной выдержать повышенный крутящий момент требуется нагрев отверстия минимум до 150 градусов Цельсия.
3. Повышение квалификации работников предприятий для исключения грубых ошибок при изготовлении деталей технологических машин.
В заключении стоит отметить, что для улучшения надежности и качества транспортно-технологических машин в условиях современного отечественного производства [13] требуется не только системный подход, включающий себя исключение конструкторских и технологических ошибок, возрождение забытых технологий, используемых в СССР при производстве, внедрение инновационных решений и перспективных разработок.
При этом новые методики производства нуждаются в тщательном анализе и разработке универсальных технологий для унификации производственных процессов и получения стабильного положительного результата в области надежности, качества и производительности наземных транспортно-технологических машин. Что касается технологии применения клеевых соединений- требуется изучение параметров такого соединения в зависимости от следующих технологий:
- подготовки поверхностей; -нанесения клеевого состава; -полимеризации клеевого состава; -создания неразъёмного соединения.
Для создания таких современных клеевых посадок так же придется разработать точную математическую модель [14,15], привязанную к реальным условиям, уточнить коэффициенты, используемые при расчётах. В случае успешного построения такой модели станет возможным существенно повысить технологичность производства прессовых соединений, срок службы таких ДСЕ, ускорить темп производства.
Список литературы
1. Bayer R.G. Mechanical Wear Fundamentals and Testing, Revised and Expanded/ CRC Press, 2004. 395 p.
2. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3-х т. Т. 1. 9-е изд., перераб. и доп./ под ред. И.Н. Жестко-вой. М.: Машиностроение, 2006. 928 с.
3. Игнатов А. В. Новые тенденции развития сборки клеевых соединений в машиностроении // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. Технология и технологические машины. 2011. № 10. С. 62-68.
4. Современные технологии ремонта наземных транспортных средств: монография / В. Е. Зиновьев, И. М. Алексаньян, П. В. Харламов, Н. В. Зиновьев ; ФГБОУ ВО РГУПС. Ростов н/Д, 2021. 129 с.
5. Винокурова М.Э. Сборка регулируемых цилиндрических клеевых соединений: дис. ... канд. техн. наук. М., 2017. 133 с.
6. Зиновьев В.Е., Харламов П.В. Анализ типовых дефектов вышедших из строя деталей неподвижных сопряжений транспортных средств // ИВД. 2015. №1-1.
7. Ozyabkin A. Dynamic monitoring of fictional systems / Ozyabkin A., Kcharlamov P., Feyzov E., Ananko A., Kovalenko L., Lybygov A., Korobeinikov T., Vyschepan A. / Conference Proceeding IV International Scientific Conference "Transport Problems 2012" 25.06 - 29.06 2012. Katowice, Silesian University of Technology, faculty of Transport, 2012. P. 480-492.
8. Wilfred H. Barbeau, John Cocco, Simon Cowdrey Loctite. Справочник, вторая редакция. LoctiteEuropeanGroup, 2004. 460 p.
9. Высокомолекулярные соединения (полимеры) и пластмассы: библиографический список литературы / Нац. б-ка Чуваш. Респ.; сост. Н.Ю. Софронова. Чебоксары, 2016. 28 с.
10. Каталоги продукции НИИ полимеров. [Электронный ресурс] URL: http://www.nicp.ru/ru/52/kley/113/123/151 (дата обращения: 10.05.2023).
11. Воячек И.И., Кочетков Д.В., Митясов С.Г. Избирательное упрочнение соединений с натягом при сборке с анаэробными материалами // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2015. № 2 (34). С.192-204.
12. Воячек И.И., Кочетков Д.В. Экспериментальные исследования статической прочности резьбовых соединений при сборке с анаэробными материалами // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. 2014. № 2 (10). С. 135-139.
13. Герасимук И.Н., Лукьянова Е.Л., Ульянова Н.В. Исследование показателей качества клеевого соединения слоев материалов в пакет // Материалы и технологии. 2022. №1.
14. Курносов Н.Е. Обеспечение качества неподвижных соединений. Монография. Пенза: Изд-во Пенз. Гос. ун-та, 2001. 224 с.
15.Mendoza A.M. Modeling flow inside an anaerobic digester by CFD techniques/ A.M. Mendoza. T. M. Martinez. V.F. Montanana et al. // IJEE.-2011. №6. P. 963-974.
Зиновьев Владимир Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, [email protected]. Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,
Зиновьев Никита Владимирович, аспирант, [email protected] Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения
A PROMISING TECHNOLOGY FOR CREATING ONE-PIECE JOINTS WITH TENSION IN THE SHAFT-BUSHING SYSTEM
V.E. Zinoviev, N. V. Zinoviev
The disadvantages of the existing technology of creating one-piece joints with tension for the transmission of large torques are considered and a promising technology with the use of a sleeve sealant-retainer with a simultaneous reduction of tension in the coupling is proposed. The developed technology makes it possible to reduce the contact stresses in the joint, reducing the tension with a simultaneous increase in the bearing capacity of the structure with an increase in the maintainability parameter, which has a positive effect on the economic component of the assembly manufacturing.
Key words: tight fit, mechanical engineering technology, torque, adhesive joint, shaft-bushing system.
Zinoviev Vladimir Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, head of the department, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University,
Zinoviev Nikita Vladimirovich, postgraduate, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University
