CC BY
38
Механика и машиностроение
УДК 621.65.021
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБУЕМОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СБОРОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА РАЗМЕРНЫХ СВЯЗЕЙ С УЧЕТОМ ИЗНОСА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
© 2011 Е.А. Польский
© 2011 ФГБОУ ВПО Брянский государственный технический университет, г. Брянск
Поступила в редакцию 10.11.2011
Выпуск качественной конкурентоспособной продукции с наименьшими затратами было и остается основной задачей технической подготовки производства. Качество продукции во многом определяется на этапах проектирования, изготовления и сборки. На этапе проектирования конструктор осуществляет подбор материалов контактирующих деталей, проводит отработку на технологичность, на основе расчетов на прочность и жесткость назначает номинальные функциональные размеры, назначает параметры качества функциональных поверхностей с учетом обеспечения требуемых эксплуатационных свойств, обеспечивающих работоспособность узлов и машины в целом. На этапах изготовления деталей сборочных единиц решается задача разработки технологических процессов механической обработки с выбором оборудования, инструмента, технологической оснастки и назначением режимов обработки, обеспечивающих достижение требуемых параметров точности и качества функциональных поверхностей для установленной долговечности. При сборке необходимо обеспечить заданную точность замыкающего звена одним из методов, формирование посадок сопряжения, обеспечение герметичности и др.
Все три этапа, входящие в общую структуру разработки и постановки продукции на производство, согласованы между собой размерными связями. Поэтому задача комплексного решения размерных цепей с целью реализации конструкторскотехнологического обеспечения работоспособности изделия является важным технико-экономическим аспектом повышения эффективности производства и, как следствие, инструментом создания качественных, конкурентоспособных изделий.
В настоящее время последовательность проведения размерного анализа осуществляется в два этапа [1, 2, 3]. На первом этапе конструктор определяет основные габаритные и номинальные размеры элементарных соединений с учетом обеспечения требований по прочности, жесткости и надежности; при разработке рабочего проекта устанавливает значение требуемой точности и величину посадок на функциональные размеры определяющие работоспособность узла и обеспечивающие требуемую точность замыкающего звена на основе расчета сборочных размерных цепей; формируя чертежи дета-
лей сборки, задает вспомогательные размеры для определения размерных характеристик всех конструктивных элементов детали.
На втором этапе для выбранной последовательности переходов в операциях и установленной последовательности смены технологических баз технолог проводит размерно-точностной анализ с целью определения межоперационных размеров, а, следовательно, подтверждения достижения точности конструкторских размеров.
В настоящее время происходит постоянное повышение требований к качеству проектирования при одновременной необходимости ускорения темпов выполнения этих работ. В результате появляется необходимость параллельной разработки конструкторской и технологической документации, проведения других мероприятий конструкторскотехнологической подготовки производства. Жесткое планирование выполнения проектных работ приводит к еще более тесному взаимодействию конструкторов и технологов, созданию единых конструкторско-технологических отделов. Все это создает предпосылки к реализации принципа одноступенчатого проектирования - технологическое обеспечение требуемых параметров долговечности изделия при проектировании конструкции и разработке чертежей деталей на основе анализа размерных связей, включающего расчет технологически обоснованных значений конструкторских размеров с учетом их изменения в процессе эксплуатации для повышения надежности функциональных показателей машин.
Принцип одноступенчатого проектирования для обеспечения точности конструкций предполагает управление точностью непосредственно элементами разрабатываемых технологических процессов изготовления и сборки. Это особенно актуально при проектировании машин в мелкосерийном и единичном производстве, так как в этом случае обычно не разрабатывается весь комплекс документации, предусмотренный стандартами разработки и постановки продукции на производство (РПП), а сама разработка проектов осуществляется силами нескольких специалистов.
При эксплуатации размерные связи не остаются постоянными [2, 4]. На машину будут воздействовать внешние и внутренние факторы, которые приводят к потере точности. Такие воздействия необхо-
1189
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
димо учитывать для комплексного обеспечения точности, поэтому для расчета размерных цепей необходимо выделить еще одну группу размеров - эксплуатационные размеры. Они описывают дополнительные размерные связи, возникающие при эксплуатации изделия. Включение эксплуатационных размеров в конструкторские размерные цепи, позволяет обеспечивать требуемую точность функциональных параметров в течение заданной долговечности изделия.
В предлагаемой модели одноступенчатого обеспечения работоспособности узла конструктор будет не сам проставлять все размеры, а делать это или совместно с технологом, или строить только расчетные модели, связывающие функциональные свойства и параметры машины с размерами деталей. А при использовании интегрированных автоматизированных систем проектирования, в результате вычислений по таким моделям, будут определяться критические размеры. При этом технолог получит возможность самостоятельно выбирать базы для простановки конструктивных размеров, что приведет к максимально полному использованию принципа совмещения баз и положительно скажется на себестоимости изделий.
Для решения размерных цепей используются различные методики, на основе анализа исследований зарубежных и отечественных ученых был выбран метод прямой линеаризации (Direct Linearization Method). Этот метод позволил описать сборку как цепь векторов.
В векторной форме уравнение размерной цепи в общем случае представляется в простейшем виде:
ад=Ха1 иГд=£т;,
меров, которые будут описывать изменение размерных связей в процессе эксплуатации.
Уравнение такой размерной цепи имеет вид:
где Тэк - допуски на эксплуатационные размеры, существенно воздействующие на точность замыкающего звена.
При обеспечении точности замыкающего звена в пространственной размерной цепи методом максимума минимума (и = 1) выражение для определения допуска замыкающего звена принимает вид:
Т = —
±д -
И
Э 11 — 1
V У^т +в т
/_! V1J J ^ УВ1 ув
V J
1
И
У {l2 +2d В Т +В2 Т2
1 УВ1 Ув УВ1 Ув-
3 3
TIP1 = £Х2 +2 Т„^вау, +т;£в.
2
odi
г
п—1
где
Одним из возможных методов решения прямой задачи расчета размерных связей является назначение допусков составляющих размеров с учетов вероятности безотказной работы P(t):
n ^ m
1- P(t )<[<2] ,
2
3
k
где n - количество составляющих размеров в цепи.
Обычно пространственные цепи решают разложением таких уравнений по трем проекциям на координатные оси. Если учитывать, что в пространственную размерную цепь могут входить не только линейные, но и угловые размеры, то общее векторное уравнение следует раскладывать и на линейные проекции и на угловые.
В общем виде, используя матричную форму представления, это можно записать в виде выражения:
рц= I, Jn,
где [A;i] - матрица, содержащая частные производные, описанные выше, {Тд} - вектор-столбец, содержащий допуск замыкающего звена, {T} - вектор-столбец, содержащий допуски составляющих размеров цепи.
Для учета влияния на точность замыкающего звена эксплуатационных звеньев принят метод введения в размерную цепь новых составляющих раз-
где [Q] - величина допустимого брака.
0,5 + О
ТА~Т0~^
+ а) О
\
/
где t - срок службы машины, в течение которого необходимо обеспечить вероятность безотказной работы P(t); Ф(х) - стандартное нормальное распределение функции; Т0 - допуск замыкающего звена после изготовления и сборки машины, равный допуску составляющих размеров на этот момент времени; у - скорость изменения размера замыкающего звена во времени, а- среднеквадратические отклонения соответствующих параметров.
Из проанализированных схем формирования точности замыкающего звена видно, что уравнение размерной цепи можно представить в форме:
n m
T = У c.T.+Yck k kT
A i i J внутj внешj T^ .
i J J
где с - коэффициент передаточного отношения, квнещj - коэффициент, характеризующий зависимость
1190
допуска j-го эксплуатационного размера от внешних факторов, квцут/ - коэффициент, характеризующие зависимость допуска j-го эксплуатационного размера от внутренних факторов, кТж - коэффициент учитывающий погрешности расчетной модели определения эксплуатационных свойств.
Предложена классификация элементарных прототипов, учитывающая возможные движения, допускаемые конкретным сопряжением. Определение значений коэффициентов k даттг и к внешних и
1 1 внеш| вну ij
внутренних факторов эксплуатационные звеньев-износов для заданного прототипа и с учетом требований по долговечности позволит обосновать выбор материалов, смазки, параметров качества поверхности.
При проведении размерного анализа с учетом эксплуатационных процессов изнашивание удобнее всего оценивать линейным износом - необратимым изменением формы и размеров контактирующих тел, в направлении перпендикулярным к поверхности трения. В зависимости от параметров нагружения, а в общем случае и от неоднородности свойств изнашиваемых поверхностей линейный износ будет неравномерным.
После учета распределения давления при интегрировании суммарный износ в соединении составит
f 128,, Л
р
8 = U, + IL = к, —
1 L 1 1
ab
1 +
V
12в.
Ь2
-х + -
'г Р (
+ k2s Jcp(x-l)— 1 +
12e„. 128
1 + -
■у dl
Vt +
2
2
b
a
Основные положения и методика расчета поверхностей на трение и износ при скольжении изложены в работах Суслова А.Г.:
1.2-„
1„ =
п • X ■ tm32 • Hpt
3/2
О
SO-Cl-i^-^-Tt-Ra-Wz-Hmax)1
1/3
E-Sm
Механика и машиностроение
Преобразовав зависимость с учетом требований по возможности метрологического контроля, технологического управления и приоритетности параметров качества, влияющих на износостойкость, получаем:
Т .Г = г
1 h ^М
где: CR - комплексный параметр, характеризующий зависимость интенсивности изнашивания поверхности от параметров качества поверхностно-
го слоя; См - комплексный параметр, зависящий от механических свойств материала контактирующей детали:
с =■
<kz • Н шах
't/б
Sm ■ Л ■ 4f ■ а.
"2/3
•Rcr ■ flp-Ra
"0.5
с =
CM
n
43.47-ф-л-у6 V
E
l-p2
Для формализации определения допуска отклонения от правильной геометрической формы поверхностей использовалось математическое описание элементарных поверхностей как плоских, так и объемных.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Качество машин: справочник: в 2 т./А.Г. Суслов, Ю.В. Гуляев, А.М. Дальский [и др.]. - М.: Машиностроение, 1995.- Т.2 - 430 с.
2. Справочник технолога-машиностроителя: в 2 т./ А.М. Дальский, А.Г. Косилова, Р.К. Мещеряков [и др.]. - М.: Машиностроение, 2001. - Т.1 - 912 с.
3. Тарабасов, Н.Д. Проектирование деталей и узлов машиностроительных конструкций: справочник/ Н.Д. Тарабасов, П.Н. Учаев. - М.: Машиностроение, 1983.
4. Орлов, П.И. Основы конструирования: справочно-
методическое пособие в 2 т./ под ред. П.Н.Усачева. - М.: Машиностроение, 1988. - Т.1 - 560 с.
TECHNOLOGICAL MAINTENANCE OF DEMANDED DURABILITY OF ASSEMBLY CONNECTIONS ON THE BASIS OF THE ANALYSIS OF DIMENSIONAL COMMUNICATIONS WITH THE DETERIORATION ACCOUNT AT OPERATION
© 2011 E.A. Polski
Bryansk state technical university, Bryansk
1191
