Инженер 2013

КИ РС

ЦК

Й УНИВЕ

ЕТ ИТ

А НАЦ ИО ИЙ Н

ЕС

Й ТЕ ХН ИЧ НЫ ЛЬ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ

«ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ДО Н

Е

ИНЖЕНЕР Студенческий научно-технический журнал Основан в 2000 году

№ 14/2013 Донецк – 2013

УДК 62 ББК 30 (Ж/О) И 62 Інженер. Студентський науково-технічний журнал. – Донецьк: ДонНТУ, 2013. - № 14. – 153 с.

ISSN 2073-5804

Журнал «Інженер» орієнтований на публікацію наукових праць студентів, магістрантів, стажистів, аспірантів, молодих фахівців з питань: створення і застосування прогресивних технологій; інформаційних технологій; механізаціъ й автоматизаціъ виробничих процесів; керування якістю, метрології, сертифікації; питання економічної теорії і практики; моделювання, розрахунків і проектування складних технічних систем, екологічніх проблем промисловості. Видається за сприянням Міжнародного союзу машинобудівників Засновник – Донецький національний технічний університет (ДонНТУ)

Головний редактор Зам. головного редактора Відп. секретар

Михайлов О.М. Богуславський В.О. Байков А.В.

Редакційна колегія: Башков Є.О., Горобець І.О., Івченко Т.Г., Іщенко О.Л., Левшов А.В., Малишко І.О., Медвєдєв В.В., Гусев В.В.., Грубка Р.М., Навка І.П., Польченко В.В., Седуш В.Я., Шевченко Ф.Л., Фенік Л.М., Чернишев Є.О. Верстка: Кульбіда О.О. Адреса редакційної колегії:

ДонНТУ, каф. ТМ 6-й учбовий корпус, 6.305 вул. Артема 58 83001, м. Донецьк Тел.: (062) 305-01-04 Факс: (062) 305-01-04

Журнал зареєстрований у державному комітеті інформаційної політики України. Свідчення про реєстрацію від 30 березня 2000 р., серія ДЦ, № 1550 ISSN 2073-5804

 Донецький національний технічний університет, 2013

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

УДК 621. 923 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И СИНТЕЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СБОРКИ НА ПРЕДМЕТ ОПТИМИЗАЦИИ С УЧЕТОМ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА Понамарёва Е.А., Ищенко А.Л. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Аннотация. В статье рассмотрена целесообразность и актуальность применения элементов теории графов при математическом моделировании технологических процессов сборки для условий автоматизации современных машиностроительных производств, что дает возможность анализировать математическую модель графа технологического процесса сборки на предмет поиска оптимального маршрута сборки. Ключевые слова: сборка, математическая модель, теория графов, оптимизация. Математическое моделирование технологических процессов в машиностроении неоднократно отражалось в разнообразных научных трудах, при этом - не нашло непосредственного распространения в практике. Отчасти виной этому - сложность и неравномерность их применения на фоне вариативности практических задач. Теория графов актуальна для многих сфер и отраслей современной промышленности. Основным достоинством графа как информационной модели изделия является его наглядность, а также гибкость, которая позволяет принимать во внимание как прямые, так и обратные связи между компонентами, определять действие помех и подвергать оценке влияние одной переменной на другую в любой точке системы. Методику составления математической модели сборочного процесса отдельной рассматриваемой системы (изделия) в виде информационного графа можно выразить следующим набором условий: 1. Корень графа характеризует обобщенное свойство собранного изделия.

2. Вершины графа характеризуют свойства отдельных компонентов системы (узлы, сборочные единицы детали, комплектующие).

3. Дуги графа характеризуют взаимосвязи всех компонентов сборки между собой с учетом фактора времени и последовательности сборки.

4. Иерархия дерева характеризует иерархию порядка отношений между структурными компонентами.

5. Параметры более высокого иерархического уровня являются обобщением параметров более низкого. Таким образом, мы получаем четко структурированную математическую модель в виде однонаправленного дерева графа. Формирование структуры этого графа называется выводом структурной компоненты математической модели. Рассмотрим простейший пример сборки изделия гидроаппаратуры. Граф сборочного процесса для такого изделия будет иметь два варианта сборки (рис.

2). Комбинации и сочетания варьируются согласно условиям и атрибутам конкретного технологического процесса сборки, однако общая методика построения графа, выражения этапов сборки и связей между сборочРис. 1. Гидроцилиндр ными единицами остаются прежними.

3

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Рис. 2. Граф сборочного процесса Математическое моделирование является мощным научно-прикладным средством для решения ряда задач с целью оптимизации производственных и иных процессов. Для удобства анализа математической модели технологического процесса сборки и поиска оптимальных решений по различным критериям можно использовать математический аппарат теории множеств и алгоритмы на его основе. Алгоритм Дейкстры решает задачу о кратчайших путях из одной вершины (источника) для взвешенного ориентированного графа G (X,U), в котором веса всех рёбер неотрицательны. Предположим, что мы имеем простейший граф сборки трехэлементного узла, где 1..6 - номера компонентов собираемого узла, а дуги, их соединяющие, имеют направление и вес. В качестве веса принимаем себестоимость операции соединения двух смежных компонентов (рис. 3).

Рис. 3. Граф сборки узла Рис. 4. Нахождение путей первого уровня Пользуясь основным свойством графа - наглядностью - можно сразу же определить два конкурентных маршрута. Задача использования алгоритма Дейкстры - определить, какой из маршрутов предпочтительней по минимальному весу дуги.

4

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Аглоритм Дейкстры пошагово перебирает все вершины графа и назначает им метки, которые являются известным весом дуги от источника до конкретной вершины. Методика вычислений: 1. Источником является вершина 1 (V). Ей присваивается значение 0.

2. Определяются вершины первого уровня W1, инцидентные исходящим дугам источника V. 3. Вершинам W1 присваиваются значения, равные весам дуг, соединяющих источник с рассматриваемыми вершинами (рис. 4).

4. Предпочтение отдается той вершине W1, значение которой минимально.

5. Выбранная вершина W1* проверяется на наличие исходящих дуг. Если таковых не имеется - предпочтение отдается следующей по возрастанию вершине.

6. Определяются вершины второго уровня W2, инцидентные исходящим дугам выбранной вершины первого уровня W1*.

7. Вершине второго уровня присваиваются значения, равные W 2 i = W1* + ∑ l i (рис. 5).

8. Поиск продолжается до тех пор, пока не будет достигнут конечный результат сборки (примут участие все начальные компоненты).

9. Прорабатывается второй вариант (рис. 6).

Рис. 5. Нахождение путей второго уровня

Рис. 6. Нахождение путей первого уровня

10. Сравниваются сборки.

значения

стоимости

90 < 120 Соответственно, предпочтителен будет маршрут, согласно которому звено 1 сначала входит в узел 4 (соединение со звеном 2), а потом - в готовое изделие. В отличии от алгоритма Дейкстры, котоРис. 7. Нахождение путей второго рый позволяет при доведении до конца построуровня ить ориентированное дерево кратчайших путей от некоторой вершины, метод Флойда позволяет найти длины всех кратчайших путей в графе. Конечно эта задача может быть решена и многократным применением алгоритма Дейкстры (каждый раз последовательно выбирая вершину от первой до n-ной, пока не получим кратчайшие пути от всех вершин графа), однако реализация подобной процедуры потребовала бы значительных вычислительных затрат. Методика вычислений: 1. Вершины графа нумеруются от 1 до n целыми числами.

5

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

2. Определяется матрица ML0, каждый элемент lij которой есть вес кратчайшей дуги между вершинами Хi и Хj. Если дуги, инцидентной данным вершинам, нет, то элемент принимает значение, равное ∞.

3. Значения диагонального элемента lii принимаются равными 0.

4. Для целого m, последовательно принимающего значения от 1 до n, по элементам матрицы MLm-1 определяются элементы MLm. 5. Алгоритм завершается получением матрицы всех кратчайших путей MLn, где n - число вершин графа. Предположим, что мы имеем простейший граф сборки пятиэлементного узла, где 1..6 - номера компонентов собираемого узла, а дуги, их соединяющие, имеют направление вес. В качестве веса принимаем затраты по времени на операции соединения двух смежных компонентов (рис.

8). Матрица смежности для такого графа будет иметь вид: 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 МС = 1 1 0 0 0 1

Рис. 8. Граф процесса сборки узла

0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0

При помощи матрицы смежности строим начальные матрицу расстояний и матрицу последовательности: − M L0 =

∞ ∞ 20

∞

50

− − − 1 − 2

∞ − ∞ 30 20 ∞ ∞ ∞ − ∞ 10 30

− − − 1 2 − − − − − 2 1

∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞

− ∞

∞ −

10 40

∞ ∞ ∞

∞

∞

−

∞

50

M S0 =

− − − − − 1 − − − − − 2 − − − − − −

Используем маршрут № 1. Заменяем: l16 = l14 + l 46 = 20 + 10 = 30 Получим матрицы:

ML =

−

∞ ∞ 20

∞ ∞

− ∞ 30 20 ∞ ∞ − ∞ 10 30

∞ ∞

∞ ∞ ∞ ∞

− ∞

∞ −

10 40

30 ∞ ∞

∞

∞

−

− − − 1 − 2 − − − 1 2 − MS =

− − − − 2 1 − − − − − 1 − − − − − 2 1 − − − − −

l 26 = l 24 + l 46 = 30 + 10 = 40

ML =

− ∞

∞ −

∞ 20 ∞ 50 ∞ 30 20 ∞

∞ ∞

∞ ∞

− ∞

∞ −

10 30 ∞ 10

∞ ∞ ∞ 30 40 ∞

∞ ∞

− ∞

6

40 −

− − − 1 − 2 MS =

− − − 1 2 − − − − − 2 1 − − − − − 1 − − − − − 2 1 1 − − − −

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Получаем сумму конечных путей с извлечением дублированных путей (до единократного попадания): L1 = l16 + l 26 + l 36 = (l14 + l 46 ) + (l 24 + l 46 ) + l 36 = l14 + l 46 + l 24 + l 36 L1 = 20 + 10 + 30 + 30 = 90

Используем маршрут № 2. Заменяем: l 26 = l 25 + l 56 = 20 + 40 = 60 − ∞

∞ −

∞ 20 ∞ 50 ∞ 30 20 60

∞ ∞

∞ ∞

− ∞

∞ −

10 30 ∞ 10

∞ ∞ ∞ 30 40 ∞

∞ ∞

− ∞

ML =

40 −

− − − 1 − 2 − − − 1 2 2 MS =

− − − − 2 1 − − − − − 1 − − − − − 2 1 1 − − − −

l 36 = l 35 + l 56 = 10 + 40 = 50

ML =

−

∞

∞

20

∞ ∞

− ∞

∞ −

30 20 60 ∞ 10 30

∞

∞ ∞

∞ ∞

∞ ∞

− ∞

∞ −

10 40

30 40 50

∞

∞

−

50

− − − 1 − 2 − − − 1

2

2

− − − − 2 1 MS = − − − − − 1 − − − − − 2 1 1 2 − − −

Получаем сумму конечных путей с извлечением дубляжа: L2 = l16 + l 26 + l 36 = l16 + (l 25 + l 56 ) + (l 36 + l 56 ) = l16 + l 25 + l 56 + l 36 L2 = 50 + 20 + 40 + 10 = 120

Сравниваем полученные результаты: 90 < 120 Применяя математический аппарат вышеуказанных алгоритмов, можно анализировать математическую модель графа технологического процесса сборки на предмет поиска оптимального маршрута сборки. Мы можем сделать заключение о целесообразности и актуальности применения элементов теории графов при математическом моделировании технологических процессов сборки для условий автоматизации современных машиностроительных производств. Представление сборочных работ в виде графов позволяет систематизировать варианты маршрутов сборки, анализировать и прогнозировать многовариантное развитие технологического процесса сборочных работ. Список литературы: 1. Лебедовский М.С. Научные основы автоматической сборки / Лебедовский М.С., Вейц В.Л., Федотов А.И. – Л.: Машиностроение, 1985. – 316 с. 2. Оре О. Теория графов. 2-е изд. - М.: Наука. Главная редакция физикоматематической литературы, 1980. - 336 с. 3. Берж К. Теория графов и ее применения. М.: Издательство иностранной литературы, 1962. - 326 с. 4. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Жигалева Н.Н. Моделирование производственных систем сборки технологических элементов замены на основе логико-динамических графов. - СанктПетербург, 2003.

7

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

УДК 621. 9.02 ТЕНДЕНЦИИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ФРЕЗЕРНЫХ ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ЦЕНТРОВ Тимофеев Д.И., Голубов Н.В. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Аннотация. В статье представлен анализ конструктивных особенностей вспомогательного инструмента для фрезерных обрабатывающих центров, даны рекомендации по использованию и выбору типа патрона. Ключевые слова: вспомогательный инструмент, патрон, хвостовик, демпфер. Эффективность работы станков с ЧПУ, повышение их производительности в значительной мере зависят от технического уровня вспомогательного инструмента, обеспечивающего возможность сокращения всех составляющих штучнокалькуляционного времени. Сокращение основного времени, достигаемое интенсификацией режимов резания, может быть обеспечено в результате повышения жесткости вспомогательного инструмента, увеличения силы закрепления режущего инструмента, особенно оснащенного твердосплавными неперетачиваемыми пластинами и изготовленными из сверхтвердых материалов, я также за счет применения конструкций патронов, исключающих влияние центробежных сил на точность обработки. Решить эти задачи возможно за счет использования модульного вспомогательного инструмента. В комплект модульной оснастки для фрезерных обрабатывающих центров входят: базовые держатели (хвостовики); переходники; патроны. Более распространены во всем мире (в связи с количеством выпускаемых станков) хвостовики с конусностью 7:24 по ГОСТ 25827-93, исполнение 2, соответствующие немецкому стандарту DIN 69871/A+AD и стандарту ISO 7388/1, и по японскому стандарту MAS 403 ВТ . Однако их конструкция не позволяет обеспечить требуемую жесткость соединения при установке в шпинделе станка. Альтернативой хвостовикам с конусностью 7:24 являются хвостовики HSK, что является аббревиатурой немецкого названия Hohlschafte Kegel (Полый конический хвостовик). Потребность в новых хвостовиках возникла, в частности, в связи с применением высокоскоростных станков с частотой вращения шпинделя более 15 000 мин-1. Основными областями применения такой оснастки являются: чистовое фрезерование; изготовление пресс-форм и штампов; внутреннее шлифование; сверление и высокоточное развертывание. Основные элементы хвостовика HSK (рис. 1) [1]: - кольцевая канавка под автооператор - 1; - индексирующая канавка для ориентации инструмента в автооператоре - 2; - шпоночные канавки для шпонок инструментального магазина -3; - место для расположения кодового элемента - 4; - резьба под втулку для СОЖ - 5; - шпоночные канавки для шпонок внутри шпинделя - 6; - радиальное отверстие для зажимных устройств ручного закрепления - 7; - кольцевая коническая расточка для кулачков зажимного устройства - 8. Использование соединения на базе хвостовиков HSK позволяет исключить фреттинг-износ конусов шпинделей и уменьшить вибрации режущей части, что приводит к существенному повышению режимов резания.

8

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

При растачивании стали резцами, оснащенными керметом, замена закрепления расточной оправки с конусом 7:24 на закрепление с конусом HSK приводит к возможности повышения скорость резания в 4 раза. Высокие частоты вращения и небольшие крутящие моменты шпинделей высокоскоростных станков предопределяют использование инструментов диаметром 2... 10 мм с цилиндрическим хвостовиком. Требуемая точность установки таких инструментов обычно лежит в пределах 1.. .3 мкм на вылетах 50... 150 мм.

Рис. 1. Основные элементы хвостовика HSK

Рис. 2. Основные детали демпфера

Радиальная и осевая жесткости являются наиболее важными техническими характеристиками хвостовика инструмента, так как они определяют предел безвибрационной работы. Исследования, выполненные в Аахенском техническом университете (Германия), по сравнению конусов 7:24 и HSK, показали, что радиальная жесткость соединения HSK в 5 раз выше, чем у инструмента с хвостовиком с конусом 7:24 при сопоставимых размерах. Сравнивая хвостовики HSK с конусом 7:24, необходимо учитывать, что меньший вес хвостовика HSK не является преимуществом при балансировке, особенно для несимметричных типов А и С. Внутренний подвод охлаждающей жидкости может быть обеспечен в обоих случаях, как в хвостовике HSK, так и в хвостовике с конусом 7:24. В последнем варианте используют "зажимной грибок" с отверстием для жидкости. вным образом для деревообработки, где не возникает необходимость в охлаждении. На частотах вращения, превышающих 20 000 мин-1 из-за асимметрии каналов подвода охлаждающей жидкости и из-за наличия жидкости во внутренних каналах, может нарушиться балансировка сборки шпиндель-державка. В таких условиях рекомендуется переходить на внешний подвод охлаждающей жидкости. Стоимость инструментов с хвостовиками HSK выше, чем инструментов с конусом 7:24, поскольку первые изготовляются с более жесткими допусками. Измерительные средства, применяемые при изготовлении хвостовиков HSK, как правило, стоят на порядок дороже, чем средства для контроля конусов 7:24. Большинство фирм-производителей предлагают инструмент с хвостовиком HSK в модульном исполнении, включающем в себя узлы, которые позволяют использовать обычный режущий инструмент. По мере стандартизации инструментов с хвостовиками HSK будет происходить сокращение применения обычного инструмента. Обработка отверстий большого диаметра или отверстий большой глубины, особенно в сочетании этих двух факторов, требует специальных инструментальных реше-

9

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

ний и комплексного подхода к повышению жесткости системы СПИД. В дополнение к обычным требованиям, таким как максимально возможный диаметр расточной оправки, обеспечение надежной эвакуации стружки, переходники должны обладать демпфирующими свойствами, чтобы препятствовать возможному возникновению вибраций независимо от вида используемых режущих инструментов. Это свойство приобретает особую важность, когда необходима высокая точность и качество поверхности. Обычно вибрации при обработке резании возникают в результате динамического взаимодействия инструмента и материала обрабатываемой заготовки. Источником энергии колебаний служит переменная составляющая сил резания возникающих при взаимодействии инструмента с заготовкой. Силы резания являются следствием пластического деформирования структуры материала заготовки и приводят к отжиму инструмента. Прерывистый характер самого процесса резания, а также самого процесса резания, а также случайные факторы, такие как твердые включения в заготовке, приводят к изменению отжима резца и его периодическому врезанию в заготовку. В определенных условиях эти колебания становятся незатухающими и приводят к резонансу всей системы СПИД на одной из собственных частот. Расточная оправка с большим вылетом наиболее часто оказывается слабым звеном в системе СПИД и, соответственно, источником вибраций [2]. Чтобы обеспечить требуемую стабильность процесса обработки приходится снижать режимы резания или уменьшать сечение среза. Но от этого страдает производительность обработки, которая является приоритетом. Следовательно, это неверный путь борьбы с вибрациями. Необходимо найти решение позволяющее устранить вибрации на высоких режимах без снижения эффективности обработки. Использование антивибрационных расточных оправок со встроенным демпфером позволяет изменить динамическую податливость системы СПИД, и сделать процесс резания стабильным. Обычно обработка оправками с вылетом не превышающим 4-х диаметров не вызывает проблем с точки зрения вибраций, конечно при условии правильного выбора пластин и режимов резания. При вылетах более 4 диаметров, тенденция к появлению вибраций усиливается и эффективным решением проблемы становится переход на оправки со встроенным демпфером. С их использованием обработка отверстий на глубину до 14-ти диаметров оправки может быть произведена с хорошим результатом. Увеличение вылета оправки с от 4-х до 10-ти диаметров приводит, при той же силе резания, к возрастанию отжима оправки в 16 раз. Если вылет увеличивать дальше с 10 до 12-ти диаметров оправки, то ее отжим возрастет еще на 70% при той же силе резания. Если вылет оправок принять одинаковым, то отжим оправки диаметром 25 мм будет на 62% больше, чем отжим оправки диаметром 32 мм при одинаковой нагрузке. Во всех случаях снижение массы режущей части на конце оправки ведет к снижению склонности к вибрациям. Антивибрационные оправки со встроенным демпфером (рис.2), настроенные на подавление колебаний с частотой, обусловленной определенным вылетом инструмента также часто называют бесшумными. В большинстве случаев с их помощью решить проблему вибраций удается сразу после замены обычных стальных оправок. Основной деталью конструкции встроенного демпфера является инерционное тело, выполненное из материала с высоким удельным весом. Оно упруго подвешивается в полости оправки на двух резиновых втулках в максимальной близости к ее переднему концу. Все свободное пространство внутри полости оправки заполнено специальной вязкой жидкостью. В случае возникновения колебаний при обработке, инерционное тело приходит в движение.

10

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Настройка частотной характеристики системы такова, что колебания конца оправки и инерционного тела находятся в противофазе, и их энергия эффективно поРис. 3. Область применения переходников (1 - стальные расточные оправки; 2 - твердосплавные расточные оправ- глощается. Как результат ки; 3 - стальные антивибрационные оправки короткой се- вибрации сводятся к минимуму, что позволяет рии; 4 - стальные антивибрационные оправки длинной повысить производительсерии; 5 - усиленные твердосплавные антивибрационные ность обработки. расточные оправки) Область применения переходников различного типа приведена на рис.3. Неотъемлемая часть любой системы инструментальной оснастки - патроны. Способность надежно и точно закреплять концевой инструмент важна не только для достижения высокого качества обработки и большой стойкости инструмента, но и для обеспечения высокой производительности при черновых операциях. В случаях, когда скорости вращения шпинделя очень высоки и требуется обеспечить качество обработки, качество закрепления цельной фрезы, сверла или корпусной фрезы является определяющим фактором для результата обработки. Цанговые патроны применяют для крепления инструмента с цилиндрическим хвостовиком диаметром 2...40 мм. Основным зажимным элементом таких патронов является цанга, представляющая собой точно изготовленную закаленную втулку с продольными прорезями. Цанга обладает пружинящими свойствами и обеспечивает точное центрирование инструмента. В конструкции гидравлических патронов для закрепления инструмента используется давление гидравлической жидкости (рис. 4). В корпусе 1 патрона выполнены полости 6 и каналы 4, которые заполнены специальной гидравлической жидкостью. Плунжер 2, управляемый винтом 8, создает гидравлическое давление, которое деформирует мембрану 5, в результате чего происходит закрепление цилиндрического хвостовика инструмента, положение которого предварительно регулируется регулировочным винтом 3, перемещаемым от поворота винта 7.

Рис. 4. Гидравлический патрон Рис. 5. Схема устройства для «термозажима» Патроны с "термозажимом" применяются для соединения по "горячей" посадке. Действие патронов с термозажимом основано на том, что при нагревании посадочное

11

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

отверстие увеличивается в диаметре. Одним из практических вариантов использования "горячих" посадок является нагрев патронов токами высокой частоты (ТВЧ). В специальных устройствах (рис. 5) производится нагрев патрона с помощью индукционной катушки. Одна и та же индукционная катушка используется для инструмента с хвостовиком диаметром от 3 до 32 мм. Время разогрева 3...5 с, охлаждение - 30 с, если используется специальное охлаждение. Устройства могут быть оборудованы для групповой подготовки инструмента. Анализ конструктивных особенностей патронов позволяет дать следующие рекомендации по их использованию рекомендации по выбору типа патрона приведены в табл. 1. Рекомендации по выбору типа патрона Критерии оценки вспомогательного Цанговый патрон инструмента Общая характеНаиболее вероятный ристика выбор для цехов в процессе перехода к HSM. Биение

Жесткость

Не более 5÷10 мкм (для прецизионных патронов и цанг) Хорошая

Удобство использования

Низкое: точность установки инструмента зависит от оператора.

Цена

Не высокая.

Гидравлический патрон

Термопатрон

Хороший выбор для цехов, где HSM применяется периодически, для ограниченного числа применений. Около 5 мкм

Наилучшим образом подходит для HSM. Концентричность, балансировка и простота использования наивысшая. Не более 3 мкм

Высокая

Очень высокая: усилие закрепления режущего инструмента превышает усилие закрепления патрона в шпинделе станка. Высокое: не требуется высокой квалификации оператора.

Лучше: точность установки инструмента зависит от механизма зажима, но требует аккуратного обращения. Более высокая.

Держатели дешевы, однако требуются специальные установки для нагрева/охлаждения оправки, т.е дополнительные инвестиции.

Приведенные данные показывают, что конструкция элементов вспомогательного инструмента претерпела значительные изменения направленные на увеличение вибростойкости, жесткости, уменьшение погрешности установки режущего инструмента. Список литературы: 1. Маслов А.Р. Конструкции прогрессивного инструмента и его эксплуатация. М.: Издательство «ИТО», 2006.166 с. 2. Григорьев С.Н., Кохомский М.В., Маслов А.Р. Инструментальная оснастка станков с ЧПУ: Справочник / Под общ. ред. А.Р. Маслова. -- М.: Машиностроение, 2006. - 544 с.

12

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

УДК 621.9.06-52 ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МАШИН РОТОРНОГО ТИПА Чокнадий И.В., Чернышев Е.А (каф. ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Аннотация. В статье рассмотрен вопрос повышения производительности роторных машин с учетом такого показателя, как коэффициент производительности. Ключевые слова: производительность, роторная машина, позиция, шаг, кинематический цикл. Производительность оборудования – один из важнейших технических показателей. Его повышение обеспечивает более полное и эффективное использование материальных ресурсов и рабочего времени [2]. Производительность рабочей машины называется количество обрабатываемого продукта в единицу времени [1]. Темп роторной машины, обратная величина производительности, определяется временем транспортного перемещения заготовки и инструмента на расстояние h между двумя смежными позициями ротора [1]:

Тм =

h Vтр

где h – шаг ротора; Vтр – транспортная скорость инструмента с заготовкой. Продолжительность полного операционного цикла заготовки определяется длиной пути Lп от места загрузки ротора до места выдачи из ротора обработанной детали и той же транспортной скоростью [1]:

Тп =

Lп Vтр .

Продолжительность операционного цикла инструмента определяется длиной пути Lи, равной полной окружности ротора [1]:

Ти =

Lи Vтр .

Таким образом, операционный цикл обработки заготовки, операционный цикл инструмента и темп машины, определяющие производительность, не зависят друг от друга. Действительно, при любом значении шага ротора, обуславливаемого необходимыми поперечными размерами инструментов и исполнительных органов или заготовки, любой темп может быть обеспечен соответствующим значением транспортной скорости. В то же время любая продолжительность операционного цикла заготовки и инструмента при любой транспортной скорости может быть обеспечена выбором при проектировании величин участков Lп и Lи, каждый из которых может быть запроектирован на любое число шагов при соответствующем числе позиций ротора [1]. Транспортная скорость так же, как и производительность П, роторной машины, не зависят от технологических факторов и может устанавливаться независимо от них:

П=

1 Vтр = Тм h

Производительность машин 3-го класса определяется длительностью выпускного цикла и не ограничивается технологической скоростью обработки Vт, поэтому при

13

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

создании машин 3-го класса, повышение их производительности теоретически связано только с увеличением транспортной скорости Vтр.

Кз → Vтр ∧ Vт

Vтр ≠ f (Vт ) n = f (Vp ) Так же для определения производительности важным показателем является коэффициент производительности. Он характеризует эффективность использования машины по времени. Коэффициент равен отношению цикловой производительности Q к технологической K, и лежит в пределах от 0 до 1[3].

U Q= Тц 1 (1) К = р Тц ⋅ 2 где U – число позиций ротора; Тц – время полного кинематического цикла (одного оборота ротора);  р - рабочий угол поворота ротора, на котором происходит обработка. Коэффициент производительности характеризует степень непрерывности процесса обработки, чем ближе он к 1, тем меньше время холостых ходов. Для машин 3-го класса характерна одновременная обработка нескольких заготовок при условии, что время поворота ротора на угловой шаг меньше, чем время обработки одной заготовки. Коэффициент производительности определяется отношением производительности станка к технологической производительности [3].

Q = K Коэффициент производительности характеризует степень непрерывности процесса и использования машины по времени. Из выражения (1) получаем: р = 2 .

U Это отношение по смыслу является коэффициентом перекрытия ротора, которое показывает среднее (за время цикла) число одновременно обрабатываемых заготовок. Таким образом коэффициент производительности в роторных машинах, равен коэффициенту перекрытия, который может быть больше 1. А это свидетельствует о том, что в среднем за период может обрабатываться более чем одна заготовка. Выводы. В заключении можно сказать что, повышение коэффициента производительности означает увеличение числа одновременно обрабатываемых заготовок, уменьшение холостых ходов и более полное использование времени цикла машины. Т.е. повысить производительность машин роторного типа можно за счет увеличения коэффициента производительности. Список литературы: 1. Кошкин Л.Н. Комплексная автоматизация на базе роторных линий. М.: Машиностроение, 1972.-351 с. 2. Кузнецов М.М. и др.Автоматизация производственных процессов. Под ред. Г.А. Шаумяна. Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Высш. школа», 1978 – 431 с. 3. Шаумян Г.А. Комплексная автоматизация производственных процессов. М: Машиностроение, 1973.-640 с.

14

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

УДК 621.01(06) ВЫБОР СТРУКТУРЫ АГРЕГАТНОЙ РОТОРНОЙ МАШИНЫ Шурчилова Ю. В., Буленков Е. А. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Аннотация. В статье предлагается осуществлять выбор рациональной структуры агрегатной роторной машины на основе ее структурной надежности. Рассматривается вероятность безотказной работы для двух вариантов структуры агрегатных роторных машин. Установлено, что при низких значениях вероятности безотказной работы системы привода более целесообразно использовать первый вариант, а второй вариант структуры более предпочтителен при высокой надежности привода. Ключевые слова: вероятность безотказной работы, агрегатная головка, роторная машина. Собираемые из унифицированных агрегатных головок, технологические роторы позволят существенно упростить процесс создания новой автоматической линиии, существенно снизить себестоимость ее изготовления. Однако, на сегодняшний день не существует методики проектирования агрегатных роторных машин, а возможность адаптации известных методик проектирования автоматических линий на базе агрегатных станков [1-4] для создания систем непрерывного действия в достаточной мере не рассматривалась. Поэтому, разработка методов проектирования агрегатных роторных машин является актуальной задачей. Целью выполнения данной работы является выбор рациональной структуры агрегатной роторной машины на основе ее структурной надежности. Для достижения поставленной цели необходимо определить возможные варианты структуры агрегатных роторных машин, разработать методику оценки их структурной надежности и определить наиболее рациональный вариант структуры агрегатной роторной машины. Рассмотрим два варианта структуры агрегатных роторных машин. Агрегатные роторные машины 1 выполняются по «классической» схеме, когда на элементы корпуса технологического ротора устанавливаются полностью автономные агрегатные головки, содержащие в себе все необходимые для выполнения своих функций элементы. Роторная машина 2, сформированная на основе структурной схемы многономенклатурной роторной машины, имеет классическую для технологических роторов компоновку, включающую систему привода, общую для всех агрегатных инструментальных блоков. Агрегатный инструментальный блок состоит из устройств преобразования характеристик системы привода и накопителей инструментов и приспособлений. Рассмотрим вероятности безотказной работы (ВБР) технологических роторов (ТР). Вероятность безотказной работы ТР может быть определена как сумма вероятностей нахождения машины во всех возможных состояниях. Оценим ВБР ТР при следующих условиях.

1. ТР останавливается либо при отказе в неразветвленной системе, либо в случае выхода из строя более одной агрегатной головки или агрегатного инструментального блока.

2. Характеристики агрегатных головок и агрегатных инструментальных блоков являются одинаковыми, т.е. они имеют соответственно одинаковую производительность и обладают одинаковой вероятностью безотказной работы. Тогда ВБР ТР1 может быть определена по такой формуле:

15

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

P = Pa12 ⋅ Ppm + Ppm ⋅ (∑ C21 ) ⋅ (1 − Pa ) ⋅ Pa11 6

Зависимость вероятности безотказной работы ТР1 от вероятности безотказной работы агрегатных головок была определена при Pрт = 1 и Pа=0,980…1 (рис. 1). Для оценки целесообразности применения предложенного ТР1 сравним его структурную ВБР со структурной ВБР технологического ротора (ТР2), выполненного по схеме, когда технологический ротор имеет общую систему привода, а изделия обрабатываются в агрегатных инструментальных блоках. Тогда вероятность безотказной работы ТР2 может быть определена по такой формуле: P = Ppm ⋅ Ppr ⋅ Pa6 + Ppm ⋅ (C65 ) ⋅ (1 − Pa) ⋅ Pa5 На рисунке 2 представлена зависимость вероятности безотказной работы ТР2 от вероятности безотказной работы элементов системы привода и вероятности безотказной работы агрегатного инструментального блока. Очевидно, что оба эти показателя влияют на вероРис. 1. Вероятность безотказятность безотказной работы ТР2, однако наной работы ТР1 дежность системы привода в данном случае будет оказывать решающее значение. Заключение Из графиков (рис. 1-2) видно, что при низких значениях вероятности безотказной работы системы привода роторной машины применение первого варианта структуры будет более рациональным. Однако, в настоящее время разработаны конструкции приводов роторных машин, имеющие достаточно высокую надежность. В то же время, графики на рисунке 5 показывают, что при достаточно высокой надежности системы привода второй вариант структуры агрегатной роторной машины позволит получить высокую вероятность ее безотказной Рис. 2. Вероятность безотказработы даже при сравнительно низких значеной работы ТР1 и ТР2 ниях вероятности безотказной работы отдельных головок и агрегатных инструментальных блоков. Список литературы: 1. Михайлов А. Н. Основы синтеза поточнопространственных технологических систем непрерывного действия / А. Н. Михайлов Донецк: ДонНТУ, 2002.- 379 с. 2. Кошкин, Л. Н. Роторные и роторно-конвейерные линии / Л.Н.Кошкин - М.: Машиностроение, 1986. - 320 с. 3. Клусов И. А. Проектирование роторных машин и линий: Учеб. пособие для студентов машиностроит. спец. вузов / И. А. Клусов - М.: Машиностроение, 1990.- 320 с. 4. Автоматические линии в машиностроении. Справочник в 3-х томах / Под ред. Дащенко А.И. – М.: Машиностроение, 1984.

16

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

УДК 681.3.07 ПРИМЕНЕНИЕ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ СТАНКА Авакимьянов О.О., Гусев В.В. (каф. МСМО, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) E-mail: mс@mech.dgtu.donetsk.ua Аннотация. В статье приведены данные по построению адаптивной системы контроля и регулирования асинхронного электродвигателя станка. Модель системы включает в себя два контура регулирования: тока и скорости вращения выходного вала. Реакция нелинейной динамической системы электродвигателя станка с нейроконтроллером на ступенчатые воздействия со случайной амплитудой, имеет минимизированный колебательный характер с быстрым затуханием. Ключевые слова: электродвигатель, станок, адаптивная система, нелинейная динамическая система.

1. Введение Требования к качеству регулирования для сложных объектов с явно выраженными нелинейностями постоянно возрастают. Это способствовало развитию в последние годы современных методов регулирования. Одним из таких методов является регулирование на основе нейронных сетей динамической модели объекта. Данный метод находит все большее применение в промышленных системах управления, что обусловлено его преимуществами. Одно из них - минимум параметров, требующих настройки. Предпосылкой успешного использования такого вида регулирования является наличие, по возможности, точной модели объекта. Как правило, для нелинейных систем формирование такой модели затруднено. В связи с этим здесь представляет интерес применить нейронные сети, способные аппроксимировать практически любые нелинейные системы. Теоретически построение нейронной модели не должно вызывать проблем, так как при этом никакой исходной информации об объекте регулирования не требуется. Практика однако показывает, что структура нейронной сети, число ее входных переменных, метод тренировки и, в особенности, тренировочные множества данных должны быть оптимизированы[1].

2. Основное содержание и результаты работы В данной работе были затронуты вопросы построения адаптивной системы контроля и регулирования асинхронного электродвигателя станка. Важной особенностью нейронных сетей является их возможность применения для регулирования и контроля, при их непосредственной возможности обнаружения и построения функциональных зависимостей между динамическими параметрами систем управления. Нейронные модели объектов управления, как правило, используется в задачах регулирования в следующих случаях: - объект управления является нелинейной динамической системой; Рис. 1. Схема модели прямоточного инверсного регулиро- структура (или вания

17

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

параметры) системы, частично или полностью неизвестны. В таких случаях, для построения динамической системы, используют т. н. NARX - Modell (Nonlinear Autoregressive with eXogenous input) [2]. Представлена схема регулирования с нейроконтроллером т.н. “Direkte inverse Regelung“. Диаграмма потока сигналов наглядно представлена на рис.1: Для данного метода, для описания зависимости сигналов при регулировании, используют следующее выражение: (1) Передаточная функция для последовательной цепи NN inverses Modell и объекта управления стремится теоретически к значению (1). Это позволяет компенсировать имеющиеся в системе нелинейности [3]. В работе приводится описание модели электродвигателя станка. Модель системы представлена на рис.2:

Рис. 2. Структурная модель электродвигателя станка Модель включает в себя два контура регулирования: тока и скорости вращения выходного вала. В основу проектирования контура регулирования током положен принцип модульного оптимума. Для контура регулирования скоростью используется принцип симметрического оптимума. Ниже приведена таблица параметров системы [3]. Таблица 1. Параметры электромеханической системы Описание параметра постоянная времени числителя PI - регулятор постоянная времени знаменатель PI - регулятор эквивалентная постоянная времени постоянная двигателя сопротивление якоря

Символ

k

механическая временная постоянная двигателя номинальный ток двигателя частота вращения двигателя Проводилось построение входного вектора нейронной сети и выходного вектора цели на основе встроенного пакета Neural Network Toolbox для обучения сети на основе многослойного персептрона с обратным распространением ошибки ЛевенбергМаркардта [4].

18

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

На рис. 4 видно, что вектор цели (синий цвет), совпадает со входным вектор (зеленый цвет). Было осуществлено построение и моделирование процесса обучения Narx – Modell электродвигателя станка.

Рис. 3. Модель электродвигателя станка в пакете Matlab Simulink

Рис. 4. Характеристика обучения сети

Рис. 5. Narx – Modell электродвигателя станка

19

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

На рис.5 представлен график обученной Narx – Modellи электродвигателя, для которого вектор цели (голубой цвет), соответствует входному желаемому вектору (красный цвет).

Рис. 5. График обученной Narx – Modellи электродвигателя станка 3. Заключение Из анализа полученных данных следует, что реакция системы на ступенчатые воздействия со случайной амплитудой вполне удовлетворительна, имеет минимизированный колебательный характер с достаточно быстрым затуханием. Таким образом, нейроконтроллер для Narx –Modell нелинейной динамической системы можно широко использовать для регулирования механических и электрических характеристик двигателя станка. Список литературы: 1. Залога В. А., Криворучко Д. В., Мишенин А. А. Выбор оптимальной структуры нейронной сети для решения задач теории резания// Резание и инструмент в технологических системах: Межд. научн. техн. сборник. –Х.: НТУ «ХПИ», 2002. –Вып. 63. –С. 65-71. 2. Медведев В. В., Ковалевская Е. С. Нейросетевое моделирование как парадигма описания качественных преобразований в технологических процессах // Международная научная конференция «Нейросетевые технологии и их применение». – Краматорск: Донбасская государственная машиностроительная академия, 2002. 3. Медведев В.С., Потемкин В.Г. нейронные сети. Matlab 6/ Под общ. Ред. К.т.н. В.Г. Потемкина. – М.: Диалог – МИФИ, 2002. – 496 с. 4. Neural Network Toolbox.

Howard Demuth, Mark Beale 2003. 5. Бровков М.Б. Системы искусственного интеллекта в машиностроении: Учеб. Пособие. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2004. 119 с.

20

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

УДК 681.3(075) РАСЧЕТЫ НА ПРОЧНОСТЬ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС РЕДУКТОРА В СРЕДЕ MATHCAD Батуев Ц.А., Егодуров Г.С. (кафедра СМ, ВСГУТУ, г. Улан-Удэ, Россия) Аннотация. В статье исследовано напряженное состояние неравномерно движущихся (или равномерно вращающихся) тел с использованием принципа Д’Аламбера. Ключевые слова: прочность зубчатых колес, принцип Д’Аламбера, напряжения, сечение. По условиям работы большинство деталей машин находятся в движении (например, лопатки и диски турбомашин, шатуны и т.д.). Во многих случаях ускорения движущихся элементов практически не зависят от их деформации и могут быть определены методами кинематики твердого тела. Ускорения точек равномерно вращающихся тел (диски, шкивы) постоянны по величине и направлению. Их напряженное состояние не изменяется по времени. Если же ускорения в процессе движения меняют величину и направление (например, шатуны), то можно исследовать напряженное состояние в отдельные моменты времени. Для изучения напряженного состояния неравномерно движущихся (или равномерно вращающихся) тел воспользуемся принципом Д’Аламбера. Систему будем рассматривать как неподвижную, но к каждой ее точке приложим силу, пропорциональную плотности материала, ускорению и направленную в сторону, противоположную ускорению. Эти дополнительные силы будем называть силами инерции. Заметим, что в эту схему вписывается и расчет тел, находящихся под действием собственного веса. В элементах вращающихся или движущихся неравномерно стержневых систем возникает одноосное напряженное состояние и внутренние силы (а по ним и напряжения) определяются методом сечений. Во вращающихся дисках имеет место осевая симметрия. Силы, действующие на диск, в том числе центробежные силы от вращения, направлены радиально и равномерно распределены в окружном направлении. Напряженное состояние в диске – двухосное, напряжения равномерно распределены по толщине. На рис.1 показан элемент диска толщиной h с инерционными нагрузками. Толщина h предполагается малой по сравнению с наружным радиусом r2 . а) б) В диске постоянной толщины окружные σ t ( r ) и Рис. 1. Расчетная схема вращающегося диска и напрярадиальные σ r ( r ) напряженное состояние жения определяются по формулам [1,2] B 1+ 3⋅v σt ( r ) = A + ⋅ ρ ⋅ ω 2 ⋅ r 2 + E ⋅ ( F ( r ) - α ⋅ Δt( r )) , 2 8 r B 3+v σr ( r ) = A ⋅ ρ ⋅ ω2 ⋅ r 2 - E ⋅ F ( r ) , 2 8 r 21

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

F( r ) =

1 r ⋅ ∫ α ⋅ Δ t ( η ) ⋅ η dη , r 2 r1

η1 ≤ η ≤ r ,

где r1 - внутренний радиус диска; Δt( r ) - функция температуры диска по радиусу; v коэффициент Пуассона. Температура диска предполагается постоянной по толщине. В равномерно нагретом по радиусу диске температурные напряжения отсутствуют. Постоянные А и В определяются из граничных условий в зависимости от формы диска и способа его нагружения. Граничные условия на контуре диска могут быть задаa b c ны в перемещениях или силах. На рис.2 показаны Рис. 2. Варианты граничных условий на контуре диска различные варианты граничных условий, которые встречаются наиболее часто. На наружном контуре диска при r = r2 σ r = σ r 2 или σ r = 0 (рис.2,а). Граничные условия на внутреннем контуре радиуса r = r1 диска зависят от условий его закрепления. Если диск свободно посажен на вал или центральное отверстие свободно, то σ r1 = 0 . Если диск посажен на вал с диаметральным натягом Δ и этот натяг достаточен, то граничным условием является условие 1 совместности деформаций диска и вала (рис.2,с): u − uв = ⋅ Δ где u и uв - радиаль2 ные перемещения диска и вала под действием всех факторов (посадки, температуры, центробежных сил), часто принимают uв = 0 . Натяг Δ равен разнице между радиусом вала и радиусом отверстия диска. Иногда диски выполняют без центрального отверстия (рис.2, b). В этом случае на некотором малом радиусе r1 = ( 0.01...0.05 )r2 σ r 1 = σ t 1 . Существует значение угловой скорости, выше которого контакт между валом и диском невозможен. Это значение ω0 называется освобождающей угловой скоростью и его можно определить из условия Δω = 0 . При освобождающей частоте вращения ω0 контактное давление между валом и диском становится равным нулю и задача сводится к решению диска со свободной внутренней и наружной поверхностями. Рассмотрим пример расчета на прочность зубчатого колеса редуктора диамет-

кг := kg c := s мм := 10 −3 m кН := 10 3 ⋅ N МПа := 106 ⋅ Pa ром м := m D1 := 200 ⋅ мм , посаженного на вал d := 30 ⋅ мм с натягом Δ0 (рис.3,а). В качестве d расчетной схемы выбираем тонкий диск с внутренним и наружным радиусами r1 := , 2 D r2 := 1 , постоянной толщины h := 50 ⋅ мм (рис.3,b). Вал вращается с частотой 2

ω := 262 ⋅ c -1 и передает крутящий момент T := 0.095 ⋅ кН ⋅ м . Материал диска – сталь марки ст.30: σ y = 300 ⋅ МПа

Е = 2 ⋅ 105 ⋅ МПа

22

ρ := 7.8 ⋅ 10 3 ⋅ кг ⋅ м -3

v := 0.3

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

a

b

Рис. 3. Расчетная схема вала редуктора и зубчатого колеса Непроворачиваемость диска по отношению к валу при передаче момента Т обеспечивается за счет сил трения между валом и диском (коэффициент трения f := 0.15 ). Условие непроворачиваемости (с нормативным коэффициентом запаса nadm := 1.5 ) имеет вид [2] d M mp рkω ⋅ f ⋅ π ⋅ d ⋅ h ⋅ 2 T= = , nadm nadm откуда определим контактное давление рkω между валом и диском при вращении вала с угловой скоростью ω 2 ⋅ Т ⋅ пadm рkω ≥ рkω.adm рkω.adm = 13.44 МПа . рkω.adm := π ⋅d2 ⋅h⋅ f Найдем натяг Δω при рабочем числе оборотов, обеспечивающий требуемое контактное давление рkω = рkω.adm . Воспользовавшись формулой [2] Δ рkω = ω 2

r ⋅ 1  Ев

 r2 + r2  r  r2 + r2  1 0  ⋅ − vв  + 1 ⋅  2 1 + vд     r2 − r2  Ед  r 2 − r 2 0  2 1   1 

−1

,

находим Δω := −2 ⋅ рkω.adm ⋅ d ⋅

D12 Е ⋅ ( −1 ⋅ D12

2

+d )

Δω = 4.125 × 10 −6 м .

Связь Δω с начальным натягом Δ0 дается выражением [2]

ρд ⋅ (3 + vд ) 2   ⋅ r2    Eд   ω 2 ⋅ r1   ρд ⋅ (1 − vд ) ρв ⋅ (1 − vв )  2  Δω = Δ0 − ⋅ +  −  ⋅ r1  , 2 Eд Eв     ( ) ρ ⋅ 1 − v 2 в в   +− ⋅ r0   Eв

откуда

Δ0 :=

1 16 ⋅ Δω ⋅ E + 3 ⋅ ω 2 ⋅ d ⋅ ρ ⋅ D12 + ω 2 ⋅ d ⋅ ρ ⋅ D12 ⋅ v ⋅ 16 E

23

Δ0 = 4.787 × 10 −6 м .

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Проверим прочность диска по теории максимальных касательных напряжений Треска-Сен-Венана. При определении напряжений воспользуемся принципом суперпозиции. Инерционные напряжения (рис.4, граничные условия имеют вид: при r = r1 и r = r2 σ r = 0 ) в точках диска вычисляются по формулам:

   .  2 2 r22 ⋅ r12 1 + 3 ⋅ v 2   ρ ⋅ ω2 σt .ин ( r ) := ⋅ (3 + v ) ⋅  r2 + r1 + − ⋅r  2   8 3 + v r   r := 0.014 ,0.014 + 0.002..0.1 σ r .ин ( r ) :=

  ρ ⋅ ω2 r2 ⋅ r2 ⋅ (3 + v ) ⋅  r22 + r12 − 2 1 − r 2    8 r2  

Рис. 4. Эпюры инерционных радиальных σ r .ин ( r ) и окружных σ t .ин ( r ) напряжений Контактные напряжения (рис.5, граничные условия имеют вид: при r = r1 σ r = pкон и r = r2 σ r = 0 ) в диске определяются по формулам:

4 ⋅ r 2 − D12  −1 ⋅ pkω.adm ⋅ d 2 ⋅  4 ( − D12 + d 2 ) ⋅ r 2  .

4 ⋅ r 2 + D12  −1 2 σ t .кон ( r ) := ⋅ pkω.adm ⋅ d ⋅ 4 ( − D12 + d 2 ) ⋅ r 2   r := 0.014 ,0.014 + 0.002..0.1 σ r .кон ( r ) :=

Рис. 5. Эпюры контактных радиальных σ r .кон ( r ) и окружных σ t .кон ( r ) напряжений Складывая инерционные и контактные напряжения, получим (рис. 6)

24

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

σ r ( r ) := σ r .uн ( r ) + σ r .кон ( r ) , σ t ( r ) := σ t .uн ( r ) + σ t .кон ( r )  r := 0.014 ,0.014 + 0.002..0.1 .

Рис. 6. Эпюры суммарных радиальных σ r ( r ) и окружных σ t ( r ) напряжений Из рис.6 следует, что опасной является внутренняя точка диска. Касательные напряжения в этой точке диска равны касательным напряжениям на поверхности вала( τ = τ t .r ) и определяются из очевидного соотношения τ = τ t .r = pkω.adm ⋅ f , откуда τ := pkω.adm ⋅ f , τ = 2.016МПа Напряженное состояние в рассматриваемой точке изображено на рис.7. Для точек у внутренней поверхности диска при r = r1 имеет место плоское напряженное состояние с главными напряжениями: σ1 := 18.624МПа σ 2 := 0 σ 3 := −13.567МПа Эквивалентное напряжение по теории максимальных касательных напряжений Треска - Сен-Венана σ eq := σ1 − σ 3 Рис. 7. Напряженное соКоэффициент запаса прочности для диска стояние в точке на внутσy n = 9.319 n := ренней поверхности σ eq диска Таким образом, разработанная программа расчета в среде Mathcad для быстро вращающихся дисков позволяет при любых исходных данных: 1) определять контактное давление pkω между валом и диском; 2) найти натяг Δω при рабочем числе оборотов, обеспечивающий требуемое контактное давление pkω = pkω.adm ; 3) проверять прочность диска по любой теории прочности; 4) при необходимости учесть функцию температуры диска по радиусу. Список литературы: 1. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов.-М.: Наука, 1986.- 512 с. 2. Вафин Р.К., Егодуров Г.С., Зангеев Б.И. Расчеты на прочность элементов машиностроительных конструкций в среде Mathcad.- Улан-Удэ: Бурят. кн. издво, 2005.- 600с.

25

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

УДК 681.3 МЕТОД РАСПАРАЛЛЕЛИВАНИЯ ПРОЦЕДУР ОБРАБОТКИ МАССИВОВ ВНУТРИ ЦИКЛОВ В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММАХ СО СВЯЗЯМИ ПО УПРАВЛЕНИЮ Борзов Д.Б, Корой В.В (ЮЗГУ, г. Курск, Россия) Тел. +7(4712)58-71-05; E-mail borzovdb@kursknet.ru Abstract: The paper about parallel executing procedures in loops from the sequential program of the multiprocessor computer systems.

Key words: multiprocessors systems, sequential program, parallelization, array processing, loop, program procedures. Развитие параллельных вычислительных архитектур в наше время привело не только к повышению производительности вычислительных систем, но и породило проблему неоптимального задействования всех ресурсов таких систем. Одним из решений этой проблемы является преобразование последовательных участков программ в параллельные [1], что позволяет рациональнее использовать ресурсы многопроцессорных систем и повышать скорость вычислений. Рассмотрим простейший участок программы с использованием вызова процедуры внутри цикла со счетчиком, где вызов функции не изменяет ход цикла, а SIZE - константа: Таблица 1. Вызов процедуры внутри цикла int mas[SIZE]; int i=0; while(i<SIZE) { func(mas[i]); i++; } Исполнение этого участка программы в процессоре повлечет за собой выполнение следующего алгоритма [3] при SIZE=4: (участки алгоритма будут повторяться, пока переменная i не станет равной константе SIZE, метка end обозначает конец программного кода, if – оператор условия, func(mas[X]) – вызов процедуры с элементом массива под номером Х в качестве аргумента ) (см. табл. 2). Алгоритм из таблицы 1 не возможно подвергнуть распараллеливанию по методу [2], т.к. он не подходит под условие: F (i, k ) = ( I i ∧ Ok ) ∨ ( I k ∧ Oi ) ∨ (Oi ∧ Ok ) , где I - матрица входных переменных, O - матрица выходных переменных , P - матрица неполного параллелизма. Алгоритм из таблицы 2 подходит под это условие и может быть разделен на не менее чем на SIZE параллельно-исполняемых частей следующим образом: 1. Оператор цикла заменяется оператором условия 2. Вместо переменной-индекса (в данном случае i) ставится конкретное число (в зависимости от значения i в цикле)

26

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Таблица 2. Выполнение процедуры If(0<4){ func(mas[0]); i=0+1; } else goto end If(1<4){ func(mas[1]); i=1+1; } If(2<4){ func(mas[2]); i=2+1; } If(3<4){ func(mas[3]); i=3+1; } If(4<4) goto end; end

3. Подставляется тело цикла, оператор инкремента/декремента заменяется на присвоение соответствующего числа 4. Повторяется набор действий 1-3, для другого прохода цикла (т.е. для другого значения i ) Результат преобразования кода показан в таблице 2. Т.е. при наличии блоков кода обработки массивов внутри функций, не влияющих на количество проходов цикла, а также при известном количестве проходов цикла становиться возможным преобразовать группу последовательных вызовов функции обработки массива внутри цикла в параллельные блоки по методу [2], что приведет к более оптимальному задействованию многопроцессорной системы в таких вычислениях.

Список литературы: 1. Воеводин В.В., Воеводин Вл.В., Параллельные вычисления // БХВ– Петербург. – Санкт-Петербург, 2002.– 608 с. 2. Дюбрюкс С.А. Метод, алгоритм и устройство обеспечения распараллеливающей компиляции последовательных программ для вычислительных систем: дис. канд. технич. наук.:05.13.05: Курск. Гос. Технич. университет, Курск , 2010.-С.34. 3. Трахтенгерц Э.А. Введение в теорию анализа и распараллеливания программ ЭВМ в процессе трансляции. – М.: Наука, 1981. – C. 184-187.

УДК 629.73(09) ИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРЕВА И РАЗРУШЕНИЯ СПУСКАЕМЫХ АППАРАТОВ В ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ Гаранина В.М., Холодова С.Н. (ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, Россия) Аннотация. Отработан двухэтапный способ конструирования минимальных адекватных моделей для оценки мгновенных тепловых потоков на поверхность спускаемых космических аппаратов при различных сценариях посадки. На первом этапе выделяется ведущий механизм нагрева, в отношении которого осуществляется последующая детализация физико-химического описания. Ключевые слова: моделирование, нагрев, тепловая нагрузка. Постановка задачи. Проблема надежности и безопасности спускаемых аппаратов обусловлена высокой механической и термической напряженностью финишного участка траектории [1]. Приближенные методики [2,3] позволяют оценивать геометрические, силовые и тепловые параметры различных траекторий, в т.ч. локализовать участки, где воздействие атмосферы на космический летательный аппарат (КЛА) экстремально. Для этих критичных участков требуется детализировать оценку термомехани-

27

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ческого нагружения КЛА, чтобы скорректировать коррекцию траектории и/или адаптировать теплозащиту. Выделяются три параллельных механизма нагрева поверхности спускаемых аппаратов: конвекция, химические реакции и излучение. Протекание реакций и радиационные процессы обычно неравновесны [2,3]. Поэтому способность адекватно воспроизводить неравновесность физико-химических взаимодействий выступает главным требованием к уточняющим информационным моделям (ИМ). Сложность детальных моделей тепломассообмена для спускаемых КЛА обусловлена взаимовлиянием полей газодинамических, химических и радиационных параметров. Задача решается разделением пространственно-временных масштабов: в результате удается выделить три субмодели – газовой динамики, химической кинетики и радиационного переноса. Метод моделирования. Предлагается использовать двухэтапный метод расчета термических нагрузок на спускаемый аппарат: на первом этапе оценочно [2,3] локализуются наиболее теплонапряженные участки траектории и поверхности КЛА, а на втором – конструируются и исследуются детальные ИМ [1] нагрева и разрушения. Распространение методологических результатов [1] на полетные условия позволяет учитывать вклад различных факторов – конвекции, радиации и химических реакций в совокупный нагрев спускаемых аппаратов КЛА. На рис. показано типичное распределение тепловой нагрузки на поверхность КЛА однократного и многоразового использования. Результаты вычислительного эксперимента. Фактически тепловая нагрузка на поверхность многоразовых КЛА оказывается почти вдвое ниже, чем следует из данных рисунке, за счет использования низкокаталитичных поверхностных материалов. Таким способом рекомбинационную составляющую теплового потока удается ослабить примерно на порядок величины и свести термическое воздействие течения на аппарат к чисто конвективному. При использовании химически инертных покрытий траектория шаттла в единственной точке u ≈ 5 км/с, Н ≈ 65 км касается линии уровня теплового потока ≈ 310 Вт/см2, оставаясь на участках заметно менее теплонапряженной. Радиационный нагрев поверхности доминирует при баллистическом спуске КЛА, входящих в плотные слои атмосферы со скоростью равной или большей второй космической. Преобладающая роль радиационного нагрева обусловливлена чрезвычайно сильной зависимостью величины qR от скорости аппарата u: излучательная способность слоя пропорциональна произведению коэффициента поглощения и четвертой степени температуры газа в ударном слое. По зависимости qR(u), полученной путем численного интегрирования соответствующих уравнений радиационной газовой динамики можно оценить энергию «оптической активации» воздуха [1] – интегрально для УФ и видимой областей спектра. Величина энергии активации для усредненного в пределах спектрального интервала = 0.2÷0.8 мкм коэффициента поглощения излучения неравновесным воздухом в ударном слое составляет ~ 30 кК, что является средневзвешенным (с учетом химизма и энергетической неравновесности) значением для энергии электронно-возбужденных состояний основных излучателей – частиц N2+, NO, N2, N и О.

28

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рис. 1. Теплонапряженность и структура термической нагрузки на поверхность спускаемых аппаратов в атмосфере Земли: а – в – абсолютные значения конвективной, радиационной и рекомбинационной составляющих; г – суммарный поток; I – планирующая траектория спуска КЛА «Спейс шаттл»; II – атмосферный участок баллистической траектории; кружки (I) и квадраты (II) – метки временных интервалов по 100 с. Вероятность гетерогенной рекомбинации полагалась равной 1 При выбранном числе Daw доминирующий фактор нагрева - гетерогенные реакции - по прошествии ~ 50% времени спуска в атмосфере уступает место конвекции, а величина совокупного теплового потока уменьшается вдвое. Структурная динамика теплового потока позволяет квалифицировать гетерогенную рекомбинацию атомов на теплозащитной поверхности большого КЛА как, с одной стороны, один из ведущих механизмов ее нагрева и/или разрушения, а с другой, - принципиально управляемый. Соответственно в этом направлении требуется концентрировать усилия по совершенствованию надежности спускаемых аппаратов. Заключение. Отработанный в данной работе метод двухэтапного определения тепловой нагрузки на поверхность спускаемых аппаратов вкупе с набором моделей, алгоритмов и средств автоматизации расчетов [1] позволяет оценивать теплонапряженность спускаемой траектории для различных полетных условий. На основании грубых моделей выявляется ведущий механизм нагрева; последующая детализация физикохимический моделей осуществляется с учетом его доминирования. Каскадный способ конструирования моделей обеспечивает быстрый выход на адекватные минимальные модели, что делает его особо привлекательным при проектировании теплозащиты КЛА. Следует особо отметить, что приведенные результаты необходимо увязывать как с детальными кинетическими моделями, отвечающими взаимодействиям в системе КЛА – возмущенный воздух [4], так и с данными полетных и лабораторных измерений. Список литературы: 1. Бакулин В.Н., Ладоша Е.Н., Потопахин В.А., Яценко О.В. Программные средства синтеза и анализа компьютерных моделей (фото)-химически активных газов для аэрокосмических исследований // Мат. моделирование. 2006. Т. 18. № 9. С. 79-91. 2. Лунев В.В. Гиперзвуковая аэродинамика. М., 1975. 3. Неравновесные физико-химические процессы в аэродинамике / Под ред. Г.И. Майкопара. М, 1972. 4. Физико-химические процессы в газовой динамике. Компьютеризованный справочник / Под ред. Г.Г. Черного и С.А. Лосева. М.: Изд-во МГУ. 1995.

29

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

УДК 658.012.011.56 ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ У СИСТЕМІ ПРИВОДУ ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ ПАКЕТІВ МАТLАВ І SIMULINK Голубов А.М, Горобець І.О. (ДонНТУ, м.Донецьк, Україна) Аннотація. Стаття присвячена дослідженню динамічних процесів у системі приводу із застосуванням пакетів МАТLАВ і SIMULINK. Ключові слова: динамічних процесів, пакетів матlав і simulink, розрахунки, редуктор. Система приводу окремо та система редуктор – двигун це динамічна система яка є важливою частиною машини. Зокрема ця система електромостового крану повинна мати високу міцність при постійних і мінливих завантаженнях для забезпечення надійності механізму. Для забезпечення роботи при інтенсивних режимах дана система повинна мати значну міцність у статичних і динамічних режимах. Сукупність технічних вимог, які пред'являються до системи приводів цього механізму вимагають розрахункового визначення динамічних характеристик. Правильно оцінити навантаження, що діють на муфту, і вибрати конструктивні параметри так, щоб обмежити ці навантаження заданими межами дозволяє знання динамічних характеристик. Редуктор являє собою складну багатоланкову динамічну систему з розподіленими масами рис. 2.

Рис. 1. Розрахункова схема редуктора Параметри системи (маса елементів, твердість, непружний опір) можуть бути визначені після аналізу конструкції й умов її експлуатації. Для визначення динамічних характеристик привода, насамперед, підготуємо розрахункову схему, тобто обчислимо моменти інерції обертових елементів привода (валів, зубчастих коліс), твердості (піддатливості) пружних ланок між цими деталями, а також виконаємо динамічне приведення цих елементів до системи, усі елементи якої мають однакову середню швидкість. Далі спростимо розрахункову схему редуктора. Це зроблене для полегшення розрахунків динамічних характеристик елементів системи. Редуктор взаємозалежний з електродвигуном, який є головним джерелом енергії для виконання процесу роботи крану. Найбільш широким попитом у цій сфері користуються асинхронні машини трифазного струму. Електромагнітне поле двигуна має властивості пружності й демпфірування. Диференціальні рівняння, якими описується динамічний процес системи:

30

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рис. 2. Розрахункова схема для досліджень динамічних процесів

J1  1 + ( d1 + d 2 ) 1 + ( c1 + c2 ) 1 − d 2  2 − c2  2 = 0 , J 2  2 + d 2  2 + c2  2 − d 2  1 − c2  1 = M . Виходячи з цих рівнянь у подальшому має будуватися модель. Обертові деталі привода редуктора (вали, зубчасті колеса) розглядають як елементи із зосередженими масами. Звичайно деталі привода мають циліндричну форму з більшою кількістю уступів (східчасті вали, шестірні), тому для визначення моментів інерції ці елементи розбивають на частині з постійними діаметрами й визначають момент інерції кожної ділянки. Якщо деталь має порожнини циліндричної форми, то спочатку розраховують момент інерції деталі як сполошного тіла обертання, a потім віднімають момент інерції порожнини. Деталі фасонного профілю зручно заміняти тілами східчастої форми, кількість щаблів вибирається залежно від необхідної точності розрахунків. Зубчасте колесо розглядається як суцільне тіло. Розрахунки були проведені програмою КОМПАС виходячи з 3D моделі. Конічна передача J11 =0.0267 кг⋅м2, J21 =0.1774 кг⋅м2. Коcозуба циліндрична передача J31 =0.0477 кг⋅м2, J41 =0.2836 кг⋅м2. Прямозуба циліндрична передача J51 =0.0624 кг⋅м2, J61 =0.4808 кг⋅м2.

J1 = J11 + ( J12 + J13 ) ⋅ (U12 ) + ( J14 + J15 ) ⋅ (U 2 2 ) + J16 ⋅ (U 32 ) , 2 J1 = 00267 . +( 01774 . +00477 . )⋅( 315 . 2 ) +( 02836 . +00624 . )⋅( 56 . 2 ) +04808 . ⋅( 315 . 2 ) =12.761 кг⋅м . При визначенні моменту інерції ротора електродвигуна, фрикційних і пружних муфт користуються каталогами. Жорсткість визначатиметься за формулою:  Gd 4 , c= 32l де l – довжина валу, м; d – діаметр валу, м; G – модуль пружності, для сталі 79,3 ГПа.  ⋅ 79300000000 ⋅ 0.054 c= = 164856.3157 Н/м – для першого валу редуктора, 32 ⋅ 0.295  ⋅ 79300000000 ⋅ 0.0564 c= = 158110.096 Н/м – для другого валу редуктора, 32 ⋅ 0.484

31

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

c=

c=

 ⋅ 79300000000 ⋅ 0.14

= 1591270.45 Н/м – для третього валу редуктора,

32 ⋅ 0.489

 ⋅ 79300000000⋅ 0.164 32⋅ 0.822

= 6203845.45 Н/м – для четвертого валу редуктора.

Для подальших розрахунків знайдемо приведену жорсткість валів редуктора

c2 =

1 , 1 Σ i =1 ci n

1

c2 =

= 75872 Н/м.

1 1 1 1 + + + 164856.3157 158110.096 1591270.45 6203845.45 При проведенні динамічного розрахунків привода необхідно знати характеристики демпфірування або розсіювання енергії коливань, тому що величина демпфірування визначає інтенсивність крутильних коливань і динамічних навантажень у приводі при резонансних режимах. Демпфірування в приводі визначається електромагнітним демпфіруванням двигуна, розсіюванням енергії в стиках (шпонкові й шлицевые сполуки, опори валів, нерухливі посадки) і в спеціальних пружно- елементах, що демпфірують. Розсіювання енергії в матеріалі деталей можна не враховувати, тому що відносне розсіювання енергії  мало  ≈ ( 0.01...0.02 ) для стиків  ≈ ( 0.6...1.2 ) . Якщо в приводі немає спеціальних елементів, що демпфірують (муфти, динамічні гасителі й т.п.), те демпфірування механічної системи привода визначається розсіюванням енергії в стиках. У механічних елементах привода демпфірування відповідає логарифмічному декременту затухання  = ( 0.15...0.3 ) , а коефіцієнт демпфірування d можна визначити по формулі:

d=

 J ⋅c . 

Дані щодо моментів інерції отримано виходячи з 3D моделі за допомоги програми Компас.

d=

0.2



d=

0.2

0.0014 ⋅ 164858.3157 = 4.2258 , 0.0036 ⋅ 158110.096 = 12.016 ,

 0.2 d= 0.0374 ⋅ 1591270.45 = 39.851 ,  0.2 d= 0.4123 ⋅ 6203845.45 = 84.068 .  Знаходимо приведений коефіцієнт демпфування.

1 , d2 =

n

i =1

32

1

Σd

i

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1

= 2.8023 .

1 1 1 1 + + + 4.225 12.016 39.851 84.068 Модель створюється у MATLAB SIMULINK. Сімейство МАТLАВ і SIMULINK містить більше 80 продуктів для прискорення інновацій та підвищення ефективності технічних розробок у всіх галузях: починаючи від авіації і космосу, телекомунікацій та мікроелектроніки і закінчуючи промислової автоматикою, фінансами і біотехнологіями. МАТLАВ - це світовий стандарт у вищій освіті і наукових дослідженнях. SIMULINK поєднує в собі наочність аналогових машин і точність цифрових обчислювальних машин. SIMULINK забезпечує користувачу доступ до всіх можливостей пакета МАТLАВ, в тому числі до великої бібліотеці чисельних методів. Підготовка завдання для моделювання в SIMULINK проводиться в такій послідовності: 1. Вибір розрахункової схеми.

2. Складання системи рівнянь, що описують досліджуваний процес.

3. Приведення системи до виду, зручного для вирішення (дозвіл щодо старших похідних).

4. Визначення початкових умов.

5. Складання структурної схеми.

6. Моделювання збурюючих функцій.

7. Визначення вихідних даних.

8. Складання моделі в середовищі SIMULINK. 9. Включення засобів візуалізації.

10. Тестування.

11. Рішення.

12. Аналіз результатів.

13. Звіт. Проаналізуймо отримані графіки. На рис.4 ми можемо побачити коливання що виникають в наслідок запуску двигуна. Ці коливання мають порівняно велику амплітуду, але за невеликий проміжок часу (0,2 с) вони практично згасають й більше не впливають на систему. d2 =

Рис. 3. Модель у SIMULINK

33

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рис. 4. Коливання що виникають на ділянці двигуна

Рис. 5. Коливання що виникають на ділянці редуктора З іншого боку на ділянці редуктора коливання продовжуються доволі довго, проте вони мають дуже невелику амплітуду. Частота коливань менша ніж на ділянці двигуна. Таким чином можна сказати, що ці коливання не можуть серйозно впливати, як на роботу редуктора так і на муфту що з’єднує двигун з редуктором.

УДК 531.8; 621.01 ИСЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ КИНЕМАТИЧЕСКИХ СХЕМ И КЛАССИФИКАЦИЯ МПС Желуденко А.В* (каф МСМО, ДонНТУ, г.Донецк, Украина) Аннотация. В статье рассмотрена возможность формирования любого по функциональному назначению технологического оборудования с заданными функциональными и технологическими возможностями путем рационального выбора комплекта составных модулей, который позволит значительно сократить срок технической подготовки и оперативно удовлетворить требования современного рынка сбыта станкостроительной продукции. Ключевые слова: кинематические схемы, технологическое оборудование, составные модули, механизмы параллельных структур. В настоящее время конструктивные резервы повышения точности станков, в частности многоцелевых, в основном исчерпаны, поскольку, например перемещения рабочих органов осуществляется в них по направляющим с теоретически ограниченной

34

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

точностью и жесткостью. Необходимость, преодоления указанных недостатков станков традиционного исполнения привела к разработке в ряде стран (России, США, Швейцарии, Японии) станков новой концепции, основанной на применении механизмов параллельных структур (МПС),обобщенная структурная схема приведена на рис1. [1,2] В самом общем виде в МПС можно выделить выходное звено и основание, которые соединены некоторым количеством n кинематических цепей параллельно в понимании передачи движения и усилий. В каждой кинематической цепи устанавливается один или несколько приводов. На выходном звене устанавливается инструментальная или измерительная головка. МПС позволяет обеспечить до шести степеней свободы выходного звена, что расширяет технологические возможности станка.

Рис. 1. Обобщенная структурно-кинематическая схема МПС Концепция создания нового поколения технологического оборудования реализуется путем внедрения в нем МПС, вследствие чего оборудование получит новое качество и переход к реализации более современных технологических процессов. МПС отличаются разнообразием кинематических схем, методами преобразования движений, степенями свободы, компоновками и конструктивным исполнением основных элементов. Все МПС, которые используются для компоновок технологического оборудования, несмотря на разнообразие их кинематических структур и конструктивного исполнения подразделяются на две группы: - полнопараллельные это механизмы, в которых количество степеней свободы исполнительного органа (ИО) равняется количеству кинематических цепей с индивидуальными приводами, с помощью которых создаются перемещение ИО относительно осей координат; - неполнопараллельные это механизмы, в которых количество степеней свободы ИО больше, чем количество кинематических цепей, каждая из которых имеет два и больше индивидуальных приводов. По методу преобразования движений МПС подразделяются на механизмы, в которых движение ИО происходит разными путями, приведенными на рис. 2.

Рис. 2. Классификация механизмов параллельной структуры по методу преобразования движений исполнительного органа

35

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Структурные схемы и схемы механизмов наиболее распространенных типов технологического оборудования с параллельной кинематикой приведены в таблице 1.

[2] Таблица 1. Структурные схемы и схемы механизмов № Тип об-ния

1 Бипод

2 Биглайд

3 Трипод

4 Триглайд

5 Гексапод

Структурная схема

Описание Техническое оборудование с параллельной кинематикой, построенное на основе кинематического соединения двух штанг постоянной длинны Техническое оборудование с параллельной кинематикой, построенное на основе кинематического соединения двух штанг переменной длинны

Техническое оборудование с параллельной кинематикой, построенное на основе кинематического соединения трех штанг переменной длинны

Техническое оборудование с параллельной кинематикой, построенное на основе кинематического соединения трех штанг постоянной длинны Техническое оборудование с параллельной кинематикой, построенное на основе кинематического соединения шести штанг переменной длинны

36

Схема механизма

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Продолжение таблицы 1. № Тип Структурная схема обния

6 Гексаглайд

7 Дельта

8 Ножницы

Описание

Схема механизма

Техническое оборудование с параллельной кинематикой, построенное на основе кинематического соединения шести штанг постоянной длинны Техническое оборудование с параллельной кинематикой, построенное на основе кинематического соединения штанг, которые выполнены в виде параллелограмного механизма, а преобразование движения реализуется принудительным вращением опорных шарниров постоянной длинны Техническое оборудование с параллельной кинематикой, построенное на основе кинематического V-образных соединения двух прямоугольных пластин, а преобразование движения реализуется путем использования дополнительных кинематических звеньев со штан-гами переменной длины, шарнирно соединенных с подвижными или не подвижными элементами механизма

Анализ структурных схем технологического оборудования с параллельной кинематикой показывает, что все оно состоит из определенного количественного соответствующих модулей. МГД- Модуль главного движения

37

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

МЗД- Модуль изменения длины штанг МПР- Модуль принудительного вращательного движения опорных шарниров МИК- Модуль изменения координат опорных шарниров МН- Модуль направляющих МПШ- Модуль паралелограмних штанг МПД- Модуль штанг постоянной длины МВМ- Модуль V-подобного механизма МСБ- Модуль неподвижного стационарного блока Выбор конкретной модификации технологического оборудования зависит от комплекса технологических задач, массы и габаритных размеров детали, ее конструктивной формы, количества сторон, которые обрабатываются, а также конкретных требований потребителя. Достаточный и обязательный комплект модулей необходимо дополнить соответствующими системами, которые обеспечивают сервисные условия функционирования технологического оборудования, а именно системами: управления, контроля и диагностики, подачи смазочно-охлаждающих средств, удаление стружки, автоматической замены инструмента и другими. Таким образом, учитывая конкретные требования потребителя и условия производства, можно сформировать любое по функциональному назначению технологическое оборудование с заданными функциональными и технологическими возможностями путем рационального выбора комплекта составных модулей, который позволит значительно сократить срок технической подготовки и оперативно удовлетворить требования современного рынка сбыта станкостроительной продукции. *Работа выполнена под руководством проф. Горобца И.А. Список литературы: 1. Афонин, В.Л. Обрабатывающее оборудование на основе механизмов параллельной структуры/под. ред. В.Л. Афонина [Текст] / В.Л. Афонин, П.В. Подзоров, В.В. Слепцов. - М.: Учебное пособие. Издательство МГТУ СТАНКИН, Янус-К, 2006. 452 с. 2. Кузнецов Ю. Н., Дмитриев Д. А., Диневич Г. Е. Компоновка станков с механизмами параллельной структуры / под. ред. Ю. Н. Кузнецова. — Херсон: ЧП Вышемирский В. С., 2010. — 471с.

УДК 621.879.3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ДНИЩА КОВША РОТОРНОГО ЭКСКАВАТОРА Костюкевич А.Л., Юрченко И.К., Ахонин В.И. (каф. графики, ДонНТУ, г.Донецк, Украина) Аннотация. предлагается графический способ профилирования очерка днища ковша роторного траншейного экскаватора продольного копания. Ключевые слова: трохоидальные кривые, теоретическая поверхность, координаты, траектория. Роторный траншейный экскаватор продольного копания в обычном исполнении состоит из следующих основных узлов (рис. 1): рабочего оборудования 1, установленного на специальной раме 2, шарнирно подвешенной к раме 3 ходовой тележки маши-

38

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ны и ходовой тележки 4, на которой расположены силовое оборудование 5, трансмиссии 6 для привода всех механизмов экскаватора. Расположенный внутри ротора поперечный ленточный транспортер 7 может выдвигаться для образования отвала на любой стороне отрабатываемой траншеи. Разработка траншеи осуществляется вращающимся ротором с жестко закрепленными на нем ковшами при одновременном поступательном перемещении самой машины. Таким образом плоскости вращения точек ротора совпадают или параллельны направлению плоскости движения машины, т.е. точки режущих кромок ковшей описывают трохоидальные кривые, рассмотренные в работе [1]. Точки режущей кромки ковша образуют однопараметрическое множество таких линий, иначе говоря теоретическую поверхность криволинейного забоя. Выбор общепринятой величины заднего угла γ = 5°÷І0° не исключает трения задней поверхности (днища ковша) о криволинейную поверхность забоя. Это объясняется тем, что скорости вращательного движения ротора и поступательного движения машины являются соизмеримыми при реальных режимах работы. Поэтому в случае плоского днища ковша или очерченого дугой окружности радиуса R = (1,8 ÷ 2,0)hк [3], не выполняется линейный закон увеличения нормальных расстояний между поверхностями забоя и ковша по мере удаления от режущей кромки. Такой закон является общепринятым и многократно проверен практикой экскавационных работ. Геометрически его можно трактовать так. Если поверхность забоя и задняя поверхность рабочего органа будут плоскостями (рис. 2а), то по мере удаления от режущей кромки (точки О) по линии забоя ОХ, ординаты соответствующих точек 1,2 и т.д. увеличи-ваются по линейному закону, определяемому величиной угла γ . Таким образом точки линии забоя ОХ и точки прямой ОЕ приведены во взаимно-однозначное соответствие (принято положительное направление нормалей), а прямую ОЕ можно рассматривать как результат рассмотренного геометрического преобразования точек прямой ОХ. Если теперь в рассмотренном аппарате преобразования вместо прямой ОХ взять кривую (а очерковые линии поверхностей забоя землеройных машин в большинстве случаев являются именно кривыми), то полученная линия ОЕ тоже окажется кривой (рис. 2б). Следовательно, при криволинейном забое оптимальным профилем задней поверхности рабочего органа, по рассмотренным выше соображениям, будет кривая линия. Так, для окружностной траектории абсолютного движения оптимальным профилем задней поверхности рабочего органа будет спираль Архимеда (рис. 2б), параметр которой определяется величиной заднего угла γ .

Рис. 1. Общий вид роторного траншейного экскаватора Для трохоидальной траектории абсолютного движения точек режущих кромок ковшей роторного траншейного экскаватора оптимальным профилем будет спиралевидная

39

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

кривая, вид которой на интересующем нас участке длины зависит от выбора положения центра преобразования О на базовой линии. Анализ разновидностей очерковых участков полученной кривой позволяет сделать вывод, что положение центра преобразования О надо выбирать в точке очерковой линии забоя, где кривизна ее является максимальной. В этом случае очерк задней поверхности рабочего органа удовлетворит выше рассмотренные требования и для остальных точек поверхности забоя, где кривизна меньше. Таким образом профилирование очерка днища ковша роторного траншейного экскаватора продольного копания необходимо вести в такой последовательности.

1. Построить абсолютную траекторию движения точки пересечения режущей кромки ковша с плоскостью его симметрии для предельного режима работы экскаватора, т.е. траекторию минимального модуля. Предельным режимом работы следует считать минимальное значение отношений скорости S продольного движения экскаватора к скорости V вращения ротора.

S mmin = min Vmax 2. Выбрать положение центра преобразования (точки О) на построенной кривой, имея ввиду, что ковш взаимодействует с грунтом не на протяжении всей траектории движения его рабочего цикла, а на определенном ее участке. На этом участке и следует определить точку максимальной кривизны, т.е. центр преобразования О.

3. Преобразовать выделенный участок траектории (базовую линию) рассмотренным выше способом, предварительно задавшись величиной заднего угла режущей части ковша.

4. Полученная кривая является теоретическим очерком днища ковша экскаватора. Она может быть аппроксимирована другой кривой с целью упрощения технологии изготовления всей поверхности ковша. На рис.З показан пример профилирования днища ковша роторного траншейного экскаватора продольного копания для случая когда m=1/3. Построенная теоретическая очерковая кривая аппроксимируется дугой окружности , параметры формы и положення которой определяются графически. Рассмотренный метод графического профилирования задней поверхности рабочего органа может быть применен в угледобывающей, металло- и деревообрабатывающей, а также в других отраслях промышленности при проектировании изделий, предназначенных для разрушения сред.

Рис. 2. Профилирование днища ковша а – очерковая линия забоя – прямая, б – очерковая линия забоя - окружность

40

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рис. 3 – Профилирование днища ковша для реальных условий работы Список литературы: 1. Юрченко И.К. О геометрии рабочих органов некоторых землеройных машин, обусловленной траекторией движения. Сб. "Прикладная геометрия и инженерная графика". Вып.14, Киев, «Будивельник», 1972. 2. Фрейкман И.Е., Ильгонис В.К. Землеройные машины. Ленинград, "Машиностроение", 1972.

УДК 621.791.76 МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНТАКТНОЙ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ СВАРКИ Ладоша Е.Н., Цымбалов Д.С., Яценко О.В. (ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, Россия) Аннотация. Авторами предложена и отработана оригинальная модель высокотехнологичного процесса – контактной магнитно-импульсной сварки. Основанная на системе дифференциальных уравнений тепломассообмена в свариваемой заготовке модель позволяет рационализировать параметрическую оптимизацию рассматриваемой технологии. Полученные в работе результаты актуальны для машиностроения и аэрокосмических приложений. Ключевые слова: модель высокотехнологичного процесса, контактная магнитно-импульсная сварка. Развитие сварочных технологий стимулируется возрастающими потребностями передовых отраслей промышленности – микроэлектроники, аэрокосмической отрасли, автомобилестроения и ряда др. [1,2]. Постановка задачи. Процесс контактной магнитно-импульсной сварки (КМИС) основан на омическом нагреве и последующем механическом сдавливании контактной зоны посредством интенсивных электромагнитных полей [1]. Схема сваривания таким способом тонких металлических образцов (оболочек) приведена на рис. 1. Установка КМИС состоит из индуктора 1 (рис. 1), конденсаторно-коммутирующего блока (2) и матрицы соответствующего типоразмера (3). Заготовка представляет собой тонкую пластину из цветного металла, предварительно свернутую в кольцо по форме будущего изделия (4) с небольшим нахлестом (5) в зоне намечаемого сварного соединения. В процессе КМИС заготовка помещается между матрицей и индуктором, после чего производится раз-ряд конденсаторной батареи через индуктор. Индуктор может помещаться как внутри (рис. 1, а), так и вне (рис. 1, б) матрицы: в первом случае происходит раз41

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

дача образца электромагнитными силами, во втором – сжатие. Наведенные в заготовке электромагнитным полем (ЭМП) индуктора токи 1) формируют вторичное ЭМП, которое вступает во взаимодействие с полем индуктора и 2) вызывают омический нагрев заготовки. Параметры установки КМИС и заготовки выбираются таким образом, чтобы магнитное поле индуктора не успевало диффундировать в образец. При этом энергия магнитного взаимодействия индуктора и заготовки трансформируется в энергию механического движения последней: заготовка отталкивается от индуктора, препятствуя проникновению в нее внешнего (магнитного) поля. На ранней стадии процесса повышенное удельное сопротивление контактной зоны (нахлеста) способствует ее преимущественному нагреву индуцированным током. Совместное воздействие механического и термического факторов приводит в определенных условиях к образованию качественного сварного соединения в зоне нахлеста [1,2]. Основными дефектами изготовления деталей технологией КМИС являются [3]: 1) чрезмерный перегрев контактной зоны, сопровождающийся выплеском сравнительно большого количества металла или даже прогоранием, и 2) наоборот, недогрев и недосжатие в области нахлеста, выражающийся в неравномерном островном сваривании или в отсутствии соединения вообще. С целью исключить подобные ситуации в серийном производстве требуется точно устанавливать режимы КМИС в каждом конкретном случае. Параметрами управления здесь служат энергия и частота разряда. Разнообразие свариваемых материалов, форм и размеров заготовок требует множественных экспериментов для выбора оптимальных параметров КМИС. Вычислительный эксперимент (ВЭ), предполагается, поможет кардинально сократить объем экспериментальных исследований по оптимизации КМИС.

Рис. 1. Схема КМИС: а – с работой электромагнитных сил на раздачу заготовки; б – на сжатие Модель технологии. Авторами совместно с руководителем отработана оригинальная информационная модель (ИМ) КМИС, схема которой приведена на рис. 2.

42

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рис. 2. Структура ИМ КМИС При реалистичных физических допущениях модель принимает математическую форму: – уравнения движения (сдавливания заготовки) Ньютона – d x/dt = v(t) , (1) d v /dt = Pм(t)/(х0 ) е–G(T)Tпл/5Рм(t)Т , (2) –2t/ 2 2 2 Рм(t) = U0 C/(πrз l) sin t е , (3) G(T) = G|T = 0 (1 – T/Tпл)2 ⋅ e–100 ⋅ [(T – Tпл)/Tпл] / /{ e–100 ⋅ [(T – Tпл)/Tпл] + 1} , (4) – тепловыделение и нагрев в сварной зоне – dQ/dt = q(t) = U02 Rк(y) ⋅ (Rк(y) + Rз)–2 sin2 t ⋅ е–2t/ , (5) 2 –1 2 –2t/ dQΣ/dt = qΣ(t) = U0 (Rк(y) + Rз) sin t е , (6) 1/2 T1(t) = [Q(t)/C – Н/С –½ Tпл ⋅ (aМеt) ] / / [ + 1/3 ⋅ (aМе/aОх)1/2 2/(aОхt)1/2 + ξ(t)] , (7) = t) = СTпл /(СTпл + Н) ⋅ (aМе)1/2[(t – t**)1/2] , (8) . t**: T1(t**) = 1/C .Q(t**) / [ (aМеt**)1/2 + + 1/3.(aМе/aОх)1/2 2/(aОхt**)1/2] = Tпл , (9) Rз = 2 rз /( з х0 lз) , (10) – – Rк(y) = Rк|y = yo ⋅ e100(y 0.9 yo)/yo / [e100(y 0.9 yo)/yo + 1] , (11) – выплеск расплава из сварной зоны – d y/dt = y0/(δ + ξ(t)) ⋅ v(t) , (12) обозначения и размерность величин в которых соответствуют используемым в теории сварки [1,2] и введенным на схеме рис. 3.

43

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рис. 3. Геометрия контактной зоны в технологии КМИС и обозначения в (1)-(12) Таблица 1. Характерные диапазоны условий и параметров КМИС Параметр Единица Минимальное Максимальное измерения значение значение Емкость накопителя С мкФ 50 5000 Напряжение разряда U0 кВ 5 50 Собственная индуктивность установки Ly мкГ 0.01 1 Собственная частота установки fy = кГц 10 150 Энергоемкость разрядного устройства Е0 кДж 3 100 Толщина свариваемого изделия х0 мм 0.3 3 Радиус оболочки rз см 1 20 Толщина окисной пленки нм 3 15 Шероховатость поверхности заготовки мкм 0.3 × 10 2 × 200 –1 –1 Удельная электропроводность Ме Ом см 6000 70000 Температуропроводность Ме а см2/с 0.1 1 Магнитная проницаемость Ме 1 105 0 Легкоплавкость Ме, равная H/CTпл безразм.

0.3 10 В табл.1 приведены параметры модели (1)-(12), предоставленные ведущим предметным специалистом (проф. Стрижаковым В.Л.). Значения соответствуют технологии КМИС оболочечных изделий для аэрокосмической промышленности [3]. Результаты компьютерного эксперимента. Результаты численного интегрирования уравнений движения и разогрева заготовки при КМИС (1)-(12) для типичных условий приведены на рис. 4. Представленные данные свидетельствуют о сильной нелинейности процесса, выражающейся в быстрой смене ведущего механизма образования соединения – за счет обостренно протекающего нагрева контактной зоны. Поскольку момент переключения режимов от сварки плавлением к сварке давлением [1,2] зависит от множества параметров (электродинамических характеристик разрядного устройства, геометрических и теплоэлектрофизических параметров заготовки, качества обработки поверхности и других тонкостей технологического процесса), сваривание может осуществляться по самым разнообразным сценариям. Приведенный на рис. 4 вариант сваривания близок к оптимальному: 1) прогревается и выплескивается слой Ме, толщина которого сопоставима с неидеальностью поверхности, 2) динамика

44

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

температуры и давления локализуется в зоне контакта таким образом, что непроизводительные энергетические потери также невелики.

Рис. 4. Динамика параметров процесса КМИС: а – температуры; б – магнитного давления; в – интегральной энергетической характеристики процесса; г – сопротивления нахлеста; д – глубины раплавления Ме и толщины выплеснутого слоя (расплава); е – сравнительной значимости теплового и механического факторов при образовании сварного соединения. Для наглядности результаты приведены в безразмерном виде О прогностических возможностях предложенной ИМ КМИС свидетельствуют фотографии микрошлифов на рис. 5, отвечающие условиям качественного (а, б) сваривания и недогрева (в) согласно модельным расчетам. Хорошо заметно, что параметрам сваривания, характеризуемым в рамках нашей модели как недогрев, отвечает локализация сварного соединения в отдельных точках – островах или в терминах нелинейной теплопроводности S-режим тепломассообмена. Инициализацией ИМ КМИС по опытным данным удается сократить объем необходимых оптимизационных технологических экспериментов, как минимум, на полтора порядка [3]. Перспективы развития отрабатываемой модели КМИС видятся в совершенствовании гидродинамического блока модели – для учета тонких поверхностных эффектов, значение которых возрастает по мере снижения энергоемкости процесса и миниатюризации изготавливаемых деталей. Следует также предусмотреть возможность детализовать описание первичного нагрева с целью интерпретировать влияние специфических факторов, например, вакуума на динамику, эффективность и качество КМИС.

45

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

а)

б)

в)

Рис. 5. Микрошлифы сварного соединения: а, б – качественное сваривание; в – «островное» сваривание, недогрев Выводы. Путем предварительного анализа элементарных процессов в технологии КМИС установлена иерархия соответствующих временных и энергетических показателей, на основании которой сконструирована точечная модель динамики сваривания. Модель реализована как соответствующий программный модуль в системе MathCAD и инициализирована в соответствии с имеющимися данными технологического эксперимента. В рамках предложенной точечной модели описаны технологически важные черты динамики КМИС: 1) подтвержден факт равной значимости тепловых и механических процессов при образовании сварного соединения, 2) установлен переключающий характер нелинейности, обусловливающей динамику КМИС – сперва доминируют тепловые процессы в зоне контакта, которые (из-за сильной зависимости контактного сопротивления от состояния поверхности в зоне нахлеста), затем они быстро уступают место процессам механическим, 3) дана классификация тепловых режимов контактной зоны, исследована динамика температурного поля. Намечены пути совершенствования ИМ КМИС: описание динамики сваривания с учетом пространственной распределенности процесса и интеграции компьютерного эксперимента с физико-технологическим. Список литературы: 1. Дудин А.А. Магнитно-импульсная сварка металлов. М.: Металлургия, 1979. 2. Кочергин К.А. Сварка давлением. Л.: Машиностроение, 1973.

3. Strizhakov E.L. et al. Classification of methods and examination of the process of resistance magnetic-pulse welding // Welding International. 2004. V. 18. № 1. P. 57-60.

46

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

УДК 621.184.22

ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВОГО ВЛИЯНИЯ ТРУБНОГО ПУЧКА НА ЗОНУ СОЕДИНЕНИЯ КОЛЛЕКТОРА И КОРПУСА ПАРОГЕНЕРАТОРА АЭС ВВЭР – 1000 Луковский А.А., Дроженников И.С., Волоховский В.Ю., Шипков А.А. (МЭИ(ТУ), г. Москва, Россия) Тел./Факс:+7-495-362-77-00; E-mail: mpisiney@mail.ru Abstract. Influence of the tube bundle on the collector-case zone stress-strain state of a NPP steam generator is determined in the paper taking into account steam generator (SG) design peculiarities. Designed and varied regimes of SG heat exchanger tubes operation details are considered. На многих действующих отечественных и зарубежных блоках АЭС неоднократно были обнаружены повреждения, связанные с растрескиванием металла в зоне сварного соединения корпуса парогенератора с коллектором (сварное соединение №111) [1]. Устранение данных повреждений ремонтом оборудования, требует продолжительной остановки блока и приводит к существенным экономическим потерям. При расследовании причин повреждений было выявлено, что разрушение металла происходило по механизму замедленного деформационного растрескивания под напряжением (ЗДКР), основным фактором для инициации которого является наличие растягивающих напряжений на уровне предела текучести. За последние годы было проведено большое количество расчетноэкспериментального обоснования прочности узла, в котором обнаруживаются повреждения [2]. При этом, несмотря на многофакторность проблемы, детально не учитывалось влияние трубного пучка - анализ его влияния на коллектора теплоносителя и зону заделки теплообменных труб (ТОТ) в коллекторах проводили с использованием упрощенных моделей. Во время эксплуатации парогенераторов наблюдалась деформация опорных устройств трубного пучка, вызванная нарушением проектной работы системы. Такие повреждения могли привести к дополнительной неучтенной нагрузке на зону сварного соединения №111 и перераспределению напряженно-деформированного состояния указанных узлов. В работе получены значения усилий и моментов от действия трубного пучка на перфорированную зону коллектора при проектной и нарушении проектной работы теплообменных труб в дистанционирующих решетках опорных устройств, а также определена степень влияния данных силовых факторов на напряженно-деформированное состояние зоны соединения коллектора с корпусом парогенератора. Список литературы: 1. Лукасевич Б.И., Трунов Н.Б., Драгунов Ю.Г., Давиденко С.Е., Парогенераторы реакторных установок ВВЭР для атомных электростанций. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. – 391 с.,2. Несущая способность парогенераторов водоводяных энергетических реакторов /Н.А. Махутов, Ю.Г. Драгунов, К.В. Фролов и др. – М.: Наука, 2003. – 440 с. («Исследование напряжений и прочности ядерных реакторов»).

47

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

УДК 62-182.7 ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ ТОРГОВЫХ АВТОМАТОВ Маляренко А.Д., Дробова А.А. (БНТУ, г.Минск, Республика Беларусь) Тел.: +375 (17) 293-95-05 Е-mail: amalyar@tut.by Abstract: The paper presents the modern transport system of vending machines. The main element, which determines the slot machine for sale of piece goods is the mechanism of delivery of the goods. Accordingly vending machines can be divided into the following groups: with the delivery of the goods, with the spiral delivery of the goods, with the conveyor delivery of the goods. The authors considered that the most appropriate use machines with conveyor delivery of the goods as used here mechanisms storage and movement of goods allow: first, sell the products of different shapes and sizes, secondly, the mechanism of moving and delivery of the goods (elevator regiment, conveyor belt) allows you to sell the goods, does not withstand a fall from a height (glass container). Одним из факторов повышения культуры обслуживания, особенно в сфере общественного питания, является использование торговых автоматов. Реализация отдельных видов пищевой продукции через автоматы обеспечивает оперативность обслуживания посетителей, позволяет расширить торговую сеть и увеличить объем товарооборота, снижает потребность расширения штата сотрудников и повышает рентабельность предприятия, делает возможным приобретать товары в любое время суток. Торговыми автоматами называются устройства, которые в автоматическом режиме (без оператора) осуществляют процесс механического обмена товара на деньги или другие денежные эквиваленты [1]. Для продажи используют различные виды торговых автоматов. Торговые автоматы классифицируют в основном по двум признакам: по ассортименту (для продажи жидких и штучных товаров) и способу выдачи товаров. Рассмотрим конструктивные особенности торговых автоматов для продажи штучных товаров. Товары в автоматах этого класса, упакованные в пакеты, коробки, бутылки, пачки и т.п., размещают в загрузочных устройствах откуда с помощью определенного механизма товар транспортируется к месту выдачи. Независимо от назначения и свойств продаваемой продукции торговые автоматы имеют следующие узлы и механизмы: корпус, емкость для хранения товара, дозирующее устройство, транспортирующее устройство (механизм выдачи товара), купюроили монето-приемник, устройство для поддержания заданных температурных режимов и давления, электрооборудование и элементы автоматики, вспомогательное оборудование. Основным устройством, определяющим устройство торгового автомата, является транспортирующее устройство. Исходя из особенностей механизма транспортирующего устройства торговые автоматы можно разбить на следующие группы: автоматы с обойменной (барабанной) выдачей товара, автоматы со спиральной выдачей товара, автоматы с конвейерной выдачей товара. В автоматах с обойменной выдачей товара механизм выдачи представляет собой обойму, в которую загружается товар, и при одиночном срабатывании затвора из обоймы извлекается единичный товар. Товар загружается в вертикальные колонки, внизу каждой колонки находится створка выдачи товара, которая связана с электродвигателем. После получения автоматом от покупателя нужной суммы денег с главного контроллера подается сигнал на выдачу товара; при этом включается электродвигатель,

48

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

который открывает створку выдачи. Для того чтобы весь товар из колонки не провалился через открывшуюся створку, из стенки колонки выдвигается демпфер (тормозящая пластинка), который упирается в предпоследний товар и прижимает его к стенке колонки. На каждую колонку таких демпферов два: один прижимает предпоследний товар, а другой выдвигается в центре колонки, уменьшая давление остальных единиц товара на нижнюю. Поскольку предпоследний товар прижат демпфером к стенке колонки и створка выдачи открыта, то последний товар под действием своего веса проваливается в окно выдачи. По окончании цикла выдачи товара демпферы убираются обратно в стенку колонки, и оставшийся в колонке товар под своей тяжестью опускается на закрывшуюся створку выдачи (рис. 1) [2]. Такой способ выдачи имеет ряд недостатков. Товары должны быть определенных габаритов и формы в соответствии с размерами колонки. Если товар слишком мал, то в течение цикла выдачи демпферы не смогут прижать его к стенке колонки и часть товара, успевшая проникнуть через открытую створку за период выдачи, попадает к покупателю, что приводит к убыткам. При чрезмерно больших габаритах товар может заклинить внутри колонки, и тогда покупатель его не получит. К достоинствам можно отнести Рис. 1. Схема обойменной выдачи товара тот факт, что автоматы имеют закрытую витрину и товары находятся в закрытых колонках, что позволяет защитить товар от краж. В то же время закрытую витрину можно отнести и к минусам, поскольку покупатель, подходя к автомату, не видит реального товара, который он хочет приобрести. Таким образом, данная конструкция автомата предполагает узкий диапазон размеров товаров для продажи. Поэтому для варьирования размеров продаваемых товаров можно использовать различные типы проставок, которые необходимо крепить к стенкам колонки для товаров меньшего размера. Другой разновидностью торговых автоматов для штучных товаров являются автоматы со спиральной выдачей товара, которые выпускаются многими фирмами. Данный тип автоматов – самый распространенный в мире. Для аппаратов характерна открытая витрина, которая обычно подсвечивается и все товары покупатель может видеть через стекло. Витрина состоит из полок, расположенных друг под другом. Полки разбиты на колонки, в каждой из которых располагается спираль. Между витками спиралей закладывается товар для продажи. Спирали имеют собственный электродвигатель, расположенный в задней части полки и связанный со спиралью через редукционные шестерни. Механизм перемещения товара к устройству выдачи следующий: главный контроллер подает сигнал на выдачу товара, электродвигатель запускается и спираль делает оборот вокруг своей оси, после чего электродвигатель отключается. При вращении спирали вложенный в нее товар перемещается по спирали в направлении витрины. Когда спираль заканчивается, товар падает в лоток выдачи, откуда он извлекается покупателем, а находящиеся за ним единицы продукции приближаются на один шаг к краю спирали. Достоинства данного типа торговых автоматов является универсальность – способность продавать товары разной формы упаковки. Для того чтобы перестроить ав-

49

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

томат для продажи других товаров необходимо применять спирали с различным шагом, можно объединять ячейки и использовать двойные спирали с противоположным вращением, для продажи узких товаров необходимо использовать Рис. 2. Варианты спиралей спиральные разделители (рис. 2). Недостатком спиральной конструкции в торговых автоматах является ограниченность ассортимента – продавать можно лишь товары, выдерживающие падение с высоты; высокая вероятность заклинивания товара – например, между полками и стеклом витрины. Вторую из перечисленных проблем можно частично решить с помощью датчика контроля выдачи, сканирующий окно выдачи. Когда товар попадает в поле зрения сканера, контроллер получает сигнал, что товар доставлен по назначению, а если сигнал отсутствует, то спираль прокручивается вторично. Третьей разновидностью торговых автоматов для штучных товаров являются автоматы с конвейерной выдачей товара. В автомате имеются горизонтальные полки для установки товаров и лифтовая полка для транспортировки товара к окну выдачи (рис. 3а).

а) б) а) внутренний вид, б) схема загрузки конвейерной ленты Рис. 3. Автомата с конвейерной выдачей На каждой полке расположены колонки (от 2 до 5), внутри которых находятся конвейерные ленты (транспортеры). Товар укладываются на конвейер между пластинами-разделителями, закрепленными на конвейерной ленте (рис. 3б), которые довольно легко устанавливаются на ленту с различным шагом. При выборе покупателем нужного товара поисковая система автомата включает лифтовую полку, которая перемещается к выбранной полке с нужным товаром; после остановки лифтовой полки включается лента-транспортер с выбранным товаром. При движении конвейерной ленты товар, находящийся ближе к лифтовой полке, падает в нее и пересекает инфракрасные лучи, после чего конвейерная лента останавливается. Лифтовая полка опускается до окна выдачи товара, и включается конвейерная лента, установленная на лифтовой полке, после чего товар подается в окно выдачи, где он становится доступным покупателю. Расширить

50

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ассортимент продаваемых товаров позволяют автоматы с многорядным расположением транспортерных лент [1]. Достоинствами такого типа автоматов являются высокая степень загрузки и широкий диапазон размеров продаваемых товаров. Это автомат последнего поколения, в котором устранены недостатки автоматов, описанных выше. На основе анализа различных конструкций автоматов, можно сделать следующие выводы: каждый из рассмотренных механизмов для перемещения и выдачи товаров имеет как свои преимущества, так и недостатки. Однако наиболее целесообразно использовать автоматы с конвейерной выдачей товара, так как используемые здесь механизмы хранения и перемещения товара позволяют: во-первых, продавать товары различной формы и размеров, во-вторых, механизм перемещения и выдачи товара (лифтовая полка, конвейерная лента) позволяет продавать товары, не выдерживающие падение с высоты (стеклянная тара). Список литературы: 1. Кащенко, В.Ф. Торговое оборудование / В.Ф. Кащенко, Л.В. Кащенко. – Москва: Альфа-М, 2006. – 397 с. 2. Гуляев, В.А. Оборудование предприятий торговли и общественного питания / В.А. Гуляев, В.П. Иваненко, Н.И. Исачев.

– Москва: Инфра-М, 2004. – 541 с.

УДК 681.3.07 ФОРМАЛИЗАЦИЯ БАЗЫ ЗНАНИЙ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ АБРАЗИВНО-АЛМАЗНОЙ ОБРАБОТКИ Бережная Е.В., Полтавец В.В. (Кафедра МСМО, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) E-mail: k-lagidna@bk.ru Аннотация. В статье рассматриваются способы формализованного представления базы знаний экспертной системы управления технологическим процессом абразивноалмазной обработки. Описано множество информативных параметров, влияющих на технологический процесс, и приведен фрагмент базы правил экспертной системы, построенной на основе мнений экспертов. Ключевые слова: экспертная система, база знаний, информативный параметр 1. Введение Создание системы управления технологическим процессом (СУТП) на основе применения экспертных систем (ЭС) может значительно ускорить процесс разработки сложной системы управления, повысить качество решения задачи и дать экономию ресурсов за счет эффективного распределения функций центрального управления и локальных измерительных и управляющих подсистем. Такой эффект достигается за счет открытости системы представления знаний об объекте управления, адаптации системы управления к условиям функционирования объекта, автоматической коррекции управляющих воздействий при изменении существенных параметров в процессе функционирования объекта. В качестве инструментального средства для разработки СУТП принята экспертная среда CLIPS. Эта система в последнее время интенсивно развивается и совершенствуется: с момента разработки язык среды CLIPS был неоднократно модернизирован, введены процедурные и объектно-ориентированные парадигмы, введена поддержка

51

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

модульной структуры программ и многое другое. В настоящее время среда CLIPS является мощным инструментом для создания экспертных систем и распространяется бесплатно. Кроме относительной простоты программирования в данной среде, может быть обеспечена возможность работы созданной ЭС в реальном масштабе времени, когда реакция системы на возмущения не должна превышать нескольких миллисекунд [1]. Таблица 1. Информативные параметры технологического процесса обработки кругами из СТМ ОбознаЕди№ чение Название ница Диапазон значений п/п параметпараметра измера рения 1 Скорость резам/с 20-30 (Vk=1), 30-35 (Vk=2), 35-40 Vk ния (Vk=3), 40-50 (Vk=4) 2 Подача пром/мин 0,2-0,4 (Sprod=1); 0,5-1,0 (Sprod=2); 0,5дольная 3,0 (Sprod=3); 3-5 (Sprod=4); 5-10 Sprod (Sprod=5); 5-15 (Sprod=6); 8-10 (Sprod=7) 3 Подача попемм/хо 0,3-0,6 (Spop=1); 0,5-2,0 (Spop=2); 0,5Spop речная д сто- 1,0 (Spop=3); 2-4 (Spop=4) ла 4 Материал кру– алмаз (I=1), кубический нитрид бора I га (I=2) 5 Глубина шлимм/дв. 0,005-0,02 (t=1); 0,04-0,1 (t=2); 0,01-0,05 t фования ход (t=3); 0,05-0,4 (t=4); 0,05-0,2 (t=5); 0,31,0 (t=6); 0,2-0,6 (t=8) 6 Материал связ– Органическая (S=1), керамическая S ки (S=2), металлическая (S=3), металлокерамическая (S=4) 7 Способ шли– С врезной подачей без поперечной фования пери(Ds1=1), с большой глубиной обработDs1 ферией круга ки и малой поперечной подачей (Ds1=2), с малой глубиной обработки и большой поперечной подачей (Ds1=3) 8 Способ шли– Со значительным наклоном оси круга фования торпо направлению продольной подачи Ds2 цом круга стола (Ds2=1), с незначительным наклоном оси круга (Ds2=2), без наклона круга (Ds2=3) 9 Материал за– Высоколегированные труднообрабатыDm готовки ваемые стали (Dm=1), Титановые сплавы (Dm=2), Твердые сплавы (Dm=3) 10 Требования по – 0,4; 0,8; 1,6; 3,2 Da шероховатости поверхности 11 Достигнутая – 0,4; 0,8; 1,6; 3,2 Dar шероховатость поверхности

52

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

2. Основное содержание и результаты работы В качестве объекта управления примем процесс абразивно-алмазной обработки заготовки. В данном случае СУТП на основе применения экспертных систем будет осуществлять управление технологическим процессом обработки через подсистему управления высшего уровня, способную к самостоятельному функционированию и обеспечивающую выполнение всех основных функций по управлению сбором и анализом технологической информации и принятию оперативных решений по ходу процесса. В состав СУТП входит ряд локальных управляющих подсистем нижнего уровня, каждая из которых осуществляет управление одним из компонентов технологического процесса по жесткому алгоритму в реальном времени. СУТП на основе ЭС обеспечивает организацию сбора информации об управляемом процессе от локальных подсистем, управление режимами их функционирования и принятие оперативных решений. В общем случае управление технологическим процессом может осуществляться частично либо полностью автоматически. Из многих видов абразивной обработки выделим обработку шлифовальными кругами из сверхтвердых материалов (СТМ). Выделим множество информативных (существенных) параметров, влияющих на технологический процесс и позволяющих управлять этим процессом с некоторой достоверностью. Одновременно для выбранных параметров выделим информативные значения или информативные диапазоны значений, используя справочные данные [2]. Выбранные информативные параметры и их значения представлены в табл. 1. Таблица 2. Формализованное представление базы знаний экспертной системы управления технологическим процессом обработки кругами из СТМ №№ Dm Da Dar Технологическое управляющее возДостоп/п действие верность 1 1 0,4 0,4 Vk=3, Sprod=4, Spop=1, t=1, Ds1=2, 0,98 I=2, S=1 2 1 0,8 0,8 Vk=2, Sprod=7, Spop=1, t=2, Ds1=2, 0,98 I=2, S=2 3 3 1,6 1,6 Vk=1, Sprod=6, Spop=2, t=3, Ds1=2, 0,98 I=1, S=3 4 3 0,4 0,4 Vk=1, Sprod=5, Spop=3, t=1, Ds1=2, 0,98 I=2, S=1 5 3 0,4 0,4 Vk=1, Sprod=3, Spop=4, t=1, Ds1=3, 0,98 I=2, S=1 6 3 0,8 0,8 Vk=3, Sprod=3, Spop=4, t=5, Ds1=3, 0,98 I=2, S=1 7 3 3,2 3,2 Vk=1, Sprod=2, t=7, Ds2=2, I=2, S=3 0,98 8 3 Vk=1, Sprod=1, t=8, Ds2=2, I=2, S=3 0,98 3,2 3,2 9

3

3,2

3,2

Vk=1, Sprod=2, t=7, Ds2=2, I=2, S=3

0,98

10

3

3,2

3,2

Vk=1, Sprod=2, t=7, Ds2=2, I=2, S=3

0,98

Представим на основе мнения экспертов информационные образы управляющих решений в алфавите значений информационных параметров. В табл. 2 представлен

53

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

фрагмент базы знаний (базы правил) экспертной системы управления технологическим процессом обработки кругами из СТМ. Здесь достоверность характеризует уверенность эксперта, что технологическое управляющее воздействие позволит достичь заданного параметра обработки Da на основе данного воздействия.

3. Заключение Достоверность правильности технологического управляющего воздействия должна автоматически корректироваться по результатам изготовления детали. В табл. 2 приведен пример базы знаний ЭС, упрощенный для целей практической её реализации. Здесь не сформулированы задачи работы с базой данных. Следующим этапом формализации базы знаний ЭС для дальнейшего развития СУТП является построение базы целей (конфликтного множества правил). Такая база целей является внутренним для среды CLIPS механизмом. Функционирование СУТП в общем случае состоит в том, что в процессе обработки производится измерение информативных параметров и технологические управляющие воздействия задаются в зависимости от результатов измерений параметров на основе правил базы знаний ЭС. Если изменение величины технологических управляющих воздействий происходит в режиме реального времени, то СУТП будет работать в автоматическом режиме. Список литературы: 1. Частиков А.П. Разработка экспертных систем. Среда CLIPS / А.П.Частиков, Т.А. Гаврилова, Д.Л. Белов. – СПб: БХВ - Петербург, 2003. – 687 с. 2. Справочник инструментальщика / Под общ. ред. И.А. Ординарцева. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. – 846 с.

УДК 621.883.002.56 ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ЗУБЧАТОЙ ВТУЛКЕ С ПРОДОЛЬНОЙ МОДИФИКАЦИЕЙ ЗУБЬЕВ ПРИ ОТСУТСТВИИ ПЕРЕКОСА ОСЕЙ ВАЛОВ Тарасова Е.С., Грубка Р.М. ( ДонНТУ, г. Донецк, Украина). Аннотация. Статья посвящена исследования распределения напряжений в элементах зубчатой втулки. Ключевые слова: зубчатая втулка, продольная модификация зубьев, перекос осей. В данной работе проведем исследования распределения напряжений зубчатой втулке с зубьями с продольной модификацией методом конечных элементов [1, 2, 3], используя программный комплекс ANSYS 13.0 . Распределение напряжений определим в соединении между обоймой с зубьями с прямолинейной образующей и втулкой с зубьями с продольной модификацией при отсутствии погрешностей монтажа валов. Исследования распределения напряжений в элементах зубчатой втулки выполним на трехмерной модели половины зубчатой муфты рис. 1 а. 3D модель зубчатой муфты построена в программе SolidWorks 2010 и состоит из зубчатой втулки и обоймы. Перед проведением расчетов импортируем модель в ANSYS Workbench используя стандартную функцию «Import». После чего проведем статический расчет модели, используя модуль Static Structural, который позволяет определить распределения напряжений и перемещений в условиях статического нагружения конструкции.

54

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рис. 1. Трехмерная модель зубчатой муфты

В процессе составления расчетной схемы: - задано ограничение – зафиксирована от перемещения поверхность торца фланца обоймы; - приложен момент к цилиндрической поверхности отверстия втулки, величина момента составила 4000Нм, направление – вращение по часовой стрелке, если смотреть со стороны левого торца втулки; - заданы значения параметров сетки: 2мм – глобальный размер конечных элементов , 1мм – размер конечных элементов на зубчатых венцах.

а) б) в) Рис. 2. Трехмерные модели зубчатой муфты и ее элементов с сеткой конечных элементов: а – зубчатой муфты; б – зубчатой втулки; в – обоймы После задания ограничений и нагрузок была построена сетка конечных элементов для сборки половины зубчатой муфты рис. 2. и выполнен статический расчет модели без перекоса зубьев втулки относительно зубьев обоймы. В результате расчета получено распределение эквивалентных напряжений в зубчатой втулке с продольной модификацией зубьев рис. 3. При рассмотрении полученных результатов определялись значения изгибных и контактных напряжений на боковой поверхности зубьев втулки, которая непосредственно контактирует с зубьями обоймы. Причем изгибные напряжения измерялись у ножки зуба втулки, а контактными являются максимальные напряжения, действующие на рассматриваемой боковой поверхности зуба.

а)

б)

55

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рис. 3. Распределения эквивалентных напряжений в зубчатой втулке с продольной модификацией зубьев: а) распределение эквивалентных напряжений; б) вид втулки с наиболее загруженного торца

6× 10

7

4× 10

7

2× 10

7

Y Y0

4×10

7

2×10

7

Y

− 5×107

5× 10

0

7

1Y0 ×10

8

− 4×10

7

− 2×10

7

0

2×10

7

4×10

− 2×107 − 4×10

− 2×10

7

− 4×10

7

7

− 6×107

X , X0

X , X0

а) б) Рис. 4. Эпюры распределение максимальных напряжений на зубьях втулки: а) контактные напряжения, б) изгибные напряжения

7

Результаты измерения изгибных и контактных напряжений представлены в виде эпюр распределение максимальных изгибных и контактных напряжений на зубьях втулки (рис. 4). По данным на эпюрах рис. 4. определены минимальные, средние и максимальные значения изгибных и контактных напряже-

ний, которые составили соответственно: - изгибные: 29,0МПа, 34,0МПа и 41,4МПа; - контактные: 39,1МПа, 45,9МПа и 59,2МПа. Из результатов расчета видно, что напряжения между зубьями втулки распределены не равномерно, что связано с особенностями деформации зубьев с продольной модификацией. При этом максимальные изгибные напряжения превышают минимальные в 1,43 раза, а максимальные контактные напряжения превышают минимальные в 1,51 раза. Список литературы: 1. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров. Справочное пособие. - М: Машиностроение-1, 2004. - 512 с. 2. Басов К.А.

ANSYS: справочник пользователя. Москва: ДМК Пресс, 2005. - 640 с. 3. Алямовский А.А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation. М.: ДМК Пресс, 2010. – 464 с.

УДК 681.5 КОМПЛЕКСНАЯ МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ РАБОТ Шаповалов Р.Г., Сысоев В.Н. (кафедра механики, ИТА ЮФУ, г. Таганрог, Россия) Аннотация: В статье рассмотрены основные принципы комплексной механизации и автоматизации работ на электротехнических предприятиях. Приведен состав телемеханической системы управления. Ключевые слова: механизация, автоматизация, электротехнические предприятия, инструменты, автоматические системы, управление.

56

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Одним из самых главных направлений научно-технического прогресса является комплексная механизация трудоёмких работ. В данное время на электротехническом предприятии механизировано множество трудоемких работ, также в большинстве из них осуществляется комплексная механизация. Это стало возможным благодаря созданию и использованию приводимых в действие электрическими двигателями различных механизмов, машин, оборудования. Например, в изготовлении электрических машин используют разное металлообрабатывающее оборудование общего назначения, специализированные станки и приспособления. Благодаря применению электрифицированных инструментов, сварочного оборудования, грузоподъемных устройств, механизмов, пороховых и пневматических инструментов и т.п. осуществляют механизацию электромонтажных работ, исполняемых при сооружении линий электропередач, новых зданий, при ремонтных работах электрических сетей и электрооборудования. Особенно широкое распространение обрели специализированные инструменты, механизмы и приспособления, применяемые, например, при монтаже кабельных линий электропередачи, соединения и оконцевания кабелей и проводов, а также монтаже воздушных линий электропередачи, распределительных устройств, подстанций, заготовки отверстий, различного рода борозд и гнёзд в конструкциях для установки электроарматуры и укладки проводов. Усилия инженеров, ученых, квалифицированных рабочих направлены на модернизацию уже существующих средств механизации, увеличение их производительности. Также с целью их механизации осуществляют различные виды электромонтажных работ в специализированных мастерских и на станциях механизации, оборудованных на автомобилях и автоприцепах. Например, созданы специализированные мастерские для монтажа кабельных линий, закрытых распределительных устройств и подстанций, силового и осветительного электрооборудования. Данные мастерские снабжены слесарными верстаками, необходимыми приспособлениями и инструментами, автономными источниками питания электроэнергией. К примеру, мастерская типа МЭ-АП для монтажа электрооборудования промышленных предприятий также располагает необходимыми средствами малой механизации, электроточилом, сверлильным станком, механическим и гидравлическим прессом, электросверлильной машиной, трубогибом и т.д. Мастерская полностью оборудована набором инструментов и приспособлений, нужных при выполнении электромонтажных работ, что обеспечивает рабочим-электрикам высокую производительность труда. Подобно такой мастерской оборудованы и оснащены другие специализированные мастерские, причем оборудование подобных мастерских в будущем будет совершенствоваться. Важным направлением комплексной механизации электротехнических работ остаётся формирование технологических линий. На этих линиях производится заготовка и обработка кабелей, проводов, элементов электропроводки. Последующее развитие технологических линий, определенных для механизированного осуществления электротехнических работ, сокращение времени, затрачиваемого на реализацию технологического процесса, – перспективный путь распределенной механизации электромонтажных работ. На электротехнических предприятиях комплексную автоматизацию, осуществляют в основном так, как это производят на предприятиях различных многих других отраслей промышленности. Осваивая способы обработки материалов, их свойства, конструкцию, а также принцип действия, машин, аппаратов, механизмов, приборов, наблюдая в процессе их

57

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

работы за ними, человек извлекает сведения, на основе которых совершает требующиеся трудовые действия, регулирует ход производственных процессов, управляя оборудованием. Человек применяет машины, аппараты, механизмы, приборы: которые непосредственно заменяют его труд, реализуя действия по регулированию, управлению и контролю оборудования, а также протеканию производственных процессов. Автоматами называют технические устройства, которые целесообразно действуют без прямого участия человека. Автоматы ведут работу по заданной программе, созданной человеком. Наладку и ремонт осуществляют операторы, обслуживающие автоматы (в случае такой необходимости). Операторы также осуществляют общий надзор за автоматами, включают и настраивают их на нужный режим. В любом автомате имеется управляющая и управляемая системы. На управляемую систему воздействует по заданной человеком программе управляющая система. В конечном итоге управляемая система производит необходимые действия. Как правило, управляемая система несет в себе рабочую машину. Тем самым, управляющая система осуществляет те функции, которые в её отсутствии реализовывал бы человек. На данный момент широкое применение находят различные автоматические системы. Они могут нести в себе различного рода датчики, усилители сигналов, устройства дистанционной передачи сигналов, какие-либо исполнительные устройства. Электрические сигналы можно передавать к другим элементам автоматического устройства датчика по проводам или же различными другими способами передачи сигналов. Тем не менее, слабый сигнал передаётся лишь на относительно небольшое расстояние. В определённой точной передаче сигналов на большие расстояния применяют системы телемеханики, состоящие из следующих частей: • передающее устройство, на которое приходит сигнал; • линии радиосвязи на ультракоротких и коротких радиоволнах или же линии электросвязи, телеграфные и телефонные, воздушные и кабельные линии, высоковольтные линии электропередачи; • приемное устройство. Используют также и другие способы передачи сигналов в автоматических системах. Мощность поступающего от датчика сигнала очень мала и зачастую она в несколько тысяч раз меньше той мощности устройств, работой которых обязаны управлять датчики. Вследствие этого в автоматических системах в увеличении необходимой мощности сигнала датчиков используют усилители. Исполнительные устройства автоматических систем предназначены для воздействия на управляемую систему. В автоматических системах используют всевозможные типы реле, такие как электронные, электротепловые, электромагнитные, и т.п. Замыкаемые и размыкаемые контакты являются основными, исполнительными органами реле. Если же части управляемой системы обязаны совершать значительные перемещения, то тогда в качестве исполнительных органов применяют соленоидный и электродвигательный приводы. Также во многих разных автоматических системах, в особенности исполнительных устройств, служат гидравлические и пневматические приводы. Различают системы автоматической защиты и контроля, автоматического регулирования и управления. От ряда утомительных операций человека освобождает автоматический контроль, давая возможность совершать измерение различных величин в условиях опасных или малодоступных для непосредственного труда человека, что увеличивает быстроту выполнения контрольно-измерительных операций и повышает точность.

58

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Системы автоматического контроля основаны на использовании средств и методов измерения электрическими методами неэлектрических величин. Разомкнутая автоматическая система представляет собой устройство, специализированное для исполнения автоматического контроля. Совокупность действий, сориентированных на обслуживание или улучшение функционирования управляемого объекта, производят системы автоматического управления в соответствии с заданной целью управления без непосредственного участия человека. Автоматическая система выполняет функции по управлению объектом, человек производит лишь первоначальное включение. Поддерживать требуемый режим работы, к примеру заданную температуру, скорость, уровень жидкости, напряжение и т.п. могут системы автоматического управления производственных объектов или технологических процессов. Замкнутую автоматическую систему представляет собой устройство, предназначенное для исполнения автоматического управления. Управляемым объектом называют аппарат или машину, чей процесс подвергается управлению. Воздействие на управляемый объект производится для исполнения цели управления управляющим устройством. В процессе работы управляемый объект «ощущает» внешние воздействия, именуемые возмущениями. Вследствие возмущения меняется управляемая величина, о чём получает информацию устройство управления. Учитывающий характер возмущения устройство управления вырабатывает новый сигнал управления, который поступает на вход управляемого объекта. Список литературы: 1. Пантелеев В. Н., Прошин В. М. Основы автоматизации производства. – М.: Академия, 2001. – 192 с.

SEMI-ACTIVE DAMPING IN MECHATRONIC DISCRETE VIBRATING SYSTEMS Bialas K., Buchacz A., Galeziowski D. (Silesian University of Technology, Gliwice, Poland) Abstract: In this paper the problem of semi-active vibration isolation method in discrete mechatronic systems has been presented. Systems are synthesized with commonly known methods of distribution of dynamical characteristics. Requirements are given in form of resonant and anti-resonant frequencies. By use of selection of various parameters it is shown how to receive mechatronic structure that contains mechanical model and piezoelectric actuator which works with external electric LC or LRC network as semi-active vibration absorber.

This structure with negative value parameters has been compared with passive type.

Introduction Synthesis as a designing of mechatronic discrete systems has been investigated in [13]. By use of algorithm of dimensionless transformations and retransformation [4] it was possible to extend known problem of solving the reverse task of mechanical systems [5].

The paper is also the continuation of the other works done in Gliwice Research Centre.

It relates to damping methods with passive or active elements [6], application of piezoelectric actuator [7] and modeling in general by equivalent and graph method of piezo layer [8]. In papers [9,10] possibility of semi-active damping method has been presented.

Basing on researches connected with issue of negative capacitance, stiffness elements and mechanisms theory and realizations [11,12] and current authors achievements [1-4],

59

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

semi-active damping vibration isolation method has been studied. The impact on the selection of various parameters on mechatronic structures with adaptive-passive damping has been investigated and compared with passive realization of piezostack actuator and connected electric network.

Semi-active damping realization Semi-active damping function in mechatronic discrete vibrating system is realized by piezoelectric element which is connected to external network that contains capacitance with negative value. Basing on [9-10], the model of piezostack actuator connected to LRC system and electric network that realize negative capacitance has been presented schematically in the fig. 1.

Fig. 1. Schematic model of piezoelectric actuators connected to external LRC system with indicated networks that realize negative capacitance Electric equation of the system has been written as: eA up i p + ic + i z = p x1 + C ps u p + = 0.

(1) ∂ 1 lp Rx + Lx + dt ∂t C x ∫ Passive and semi-active damping function comparison Passive function in mechatronic structures is received by the L or LR configuration of piezo with external electric network. To compare passive and semi active damping, following requirements have been given: − resonant frequencies 1 = 100 rad/s, 3 = 300 rad/s, − anti-resonant frequencies 2 = 0 rad/s, 2 = 200 rad/s.

In the fig. 2 selected possible mechatronic structures with their mechanical displacement models have been shown. comparison of amplitude frequency response function for passive and semi active configurations have been done in the fig. 3 and 4.

60

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Fig. 2. Considered mechatronic structures with mechanical displacement models Negative stiffness in designing process is received from taking the value of the selected stiffness in slowness function U(s) out of required range [5], ex.:  d   0, H 0  .

(2) c1   Parameters containing negative values are written based on dimensionless transformations [1,3] and known piezoelectric equations [4,9]: C c (3, 4)  = 3 ,  ' = ps . c2 Cx

0.01

aL ( ω ) aLR ( ω )

5 × 10

−3

0

0

100

200

300

400

ω

Fig. 3. Amplitude frequency response functions for passive damping systems L and LR Values for mechanical elements, included in the structure, have been determined from distribution of the slowness function into continuous fractions and extended method.

aLR ( ω ) aLRCn ( ω )

0.01

5 ×10

−3

0

0

100

200

300

400

ω

Fig. 4. Comparison of amplitude frequency response functions of passive LR configuration and semi-active configuration with negative capacitance LRC Remarks Semi-active damping can be implemented in mechatronic discrete systems by selecting and adjusting proper dimensionless parameters to receive negative stiffness in replacement model and negative capacitance in final mechatronic structure. What is shown, in the presented figures semi-active damping is giving more symmetric performance with amplitudes on similar value level. Selection on optimal values for that parameters will be done in further research works.

Acknowledgment

61

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

This work has been conducted as a part of research project N N502 452139, supported by the Ministry of Science and Higher Education 2010-2013.

References: 1. Buchacz A., Gałęziowski D.: Zadanie odwrotne jako projektowanie mechatronicznych układów drgających, Modelowanie Inżynierskie, nr 38, s. 19-26, Gliwice, 2009. 2. Buchacz A., Galeziowski D. Synthesis as a designing of mechatronic vibrating mixed systems. Journal of Vibroengineering 2012; 14: issue 2, 553-559. 3. Buchacz A., Gałęziowski D. Bezwymiarowe transformacje i retransforma-cje w syntezie mechatronicznych układów drgających, Modelowanie Inżynierskie, 39, s. 35-40, Gliwice, 2010. 4. Buchacz A., Gałęziowski D.: Odwrotne zadanie dyskretnych drgających układów mechatronicznych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2012. 5. Dymarek A. Odwrotne zadanie dynamiki tłumionych mechanicznych układów drgających w ujęciu grafów i liczb strukturalnych. Praca Doktorska, Politechnika Śląska, Gliwice, 2000. 6. Bialas K. Passive and active elements in reduction of vibrations of torsional systems. Mechatronic Systems and Materials: Mechatronic Systems and Robotics Book series: Solid State Phenomena 2010; 164: 260-264. 7. Buchacz A., Płaczek M. Damping of mechanical vibrations using piezoelements, including influence of connection layer’s properties on the dynamic characteristic. Solid State Phenomena, 2009; 147-149; 869-875. 8. Buchacz A., Wróbel A. Piezoelectric layer modelling by equivalent circuit and graph method, Journal of Achievements in Materials and Manufactur-ing Engineering 20 (2007) 299-302. 9. Neubaer M., Oleskiewicz R., Popp K., Krzyżynski T. Optimization of damping and absorbing performance of shunted piezo elements utilizing negative capacitance, “Journal of sound and vibration”, vol. 298, no1-2, pp. 84-107, 2006. 10.

Fukada E., Date M., Kimura K. and others: Sound Isolation by Piezoelec-tric Polymer Films Connected to Negative Capacitance Circuits, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol. 11, No. 2; April 2004. 11. Platus, D. Negative-stiffness-mechanism vibration isolation systems. Proceedings of SPIE, 3786: 98-105, 1999. 12. Kashdan L., Conner Seepersad C., Haberman M., Wilson P.S. Design, fabrication, and evaluation of negative stiffness elements using SLS, Rapid Prototyping Journal 2012:18 Iss: 3, 194-200.

TECHNOLOGICAL DEVICES AND PROCESSES DESIGN WITHIN EDUCATION Monkova Katarina, Hloch Sergej (FMT TUKE, with the seat in Presov, Slovakia) Abstract: The article deals with basic steps related to the designing of technological devices and processes within the education at technical schools. In the article are described activities which students should pass in order to be successful in their study and consequently in next practice. First, they should learn to create simple parts and then they should learn to assemble the components into the static or welded assemblies, respectively into movable mechanism. In higher levels, if they absorb the fundamental theoretical knowledge, they can subject the 3D models to the analysis, as are stress, kinematics, dynamic analysis, etc. and compare the computer aided results with the values calculated in classical way. They can use several CAD/CAM systems for all activities. Students can apply the other advantages of the virtual models into the drawings preparation in electronic form and at the tool path verification during the machining simulation. The whole production process can be designed by students, too.

62

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Introduction The development of technologies in the industry has brought a new thinking of designers. They use more and more possibilities of virtual visualization as a tool for successful suggestion of manufacturing processes in its all stages. This fact influences the requirements for knowledge level of graduate students and forces universities to adapt their study programs to the new conditions of real practice. Education at technical schools should reflect the needs of the job market focused not only on current computer skills (working with text editors, table and database processors), but students should learn to work with basic available CAD/CAM software [1]. This approach is also realized at Faculty of manufacturing technologies with seat in Presov, as one of the faculties of Technical University in Kosice, Slovakia. Teachers prepare the intending engineers to be able to use the computers in design of technological devices or processes and to be successful at their job interviews.

The basic steps of educational process with computer aid Computer modelling is very powerful and effective tool that allows not only creating the solid body in a virtual three-dimensional space, but it also allows visualizing its behaviour during the time period with the possibility of induction of various external influences. The most available and commonly used design software in technical practice are Inventor, Pro/ENGINEER - today PTC Creo, Solid Works, CATIA, NX, Solid Works. All of this software are integrated into the education process at FMT TU Kosice. Fundamental properties of the software listed above are the parametric modelling and associative operation, what means that any change in construction activities will be reflected in the whole design and everything what follows this change is automatically updated.

The operating basis all of these software applications is the work with virtual 3D model. So, primarily students learn to create simple shapes of the bodies and consequently the complexity of the part rise. The principal structural element at the designing of the surface, sheetmetal or solid parts are features that use techniques as are protrusion, cut, hole, thread, rib, etc.. Students are able to prepare the models of general usage or technical devices. Advanced modelling makes use of working with surfaces, especially in automotive industry, so complex designs with unconventional shapes can originate. Virtual model can incept as origin or as the imitation of existing body. The designing of the car on the basis of skyline projection on three orthogonal planes is shown in Figure 1.

Ones modelled enables not only visualization and quick modification of the object (the dimensions editing or designing of the similar entity), but it also enables the optimization of structural solution before the part production. The next advantages of 3D model can be summarized to the following points [2]:

Fig. 1. The designing of the car −the defining of the couples, loadings, materials and other 3D model properties allows to execute the various types of analysis and so predicts object behaviour in real conditions, − very simple preparation of the negative shape of 3D geometry for skillet manufacturing,

63

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

− by means of the created 3D model it is possible to simulate the machining process and so to find out the collisions between the tool and the workpiece. Simulation of manufacturing operation allows to generate cutter location data and after the postprocessing to make the NC program for the selected control system of the machine in very short time [3].

Students learn to get all of these advantages under control at the computer aided design lessons on various stages of their education and in several software. The example of virtual model applications (structural analysis, negative geometry, machining process simulation) is shown on the screw blade for wind power station and they are displayed in the Fig. 2.

Fig. 2. Virtual model applications (structural analysis, negative geometry, machining process simulation) The simulation tools of software used at author’s workplace are suitable for the rationalization not only alone part but for the optimization of complex devices, too. So the next application of 3D models is their implementation into the assemblies, which can be static or with moving components. Static assemblies are created as the welded assemblies or as bar constructions (strut-frames) typically designed for the analysis. The examples of static assemblies are displayed in the Fig. 3.

Movable sets are represented by various types of mechanisms e.g. quick return mechanisms, cam mechanisms, gearing mechanisms or others. Students learn to execute the kinematics analysis of mechanism by three various methods (numerical, graphical and with the computer aid) and so they can consider advantages and disadvantages of them.

Fig. 3. Static assemblies Movable sets are represented by various types of mechanisms e.g. quick return mechanisms, cam mechanisms, gearing mechanisms or others. Students learn to execute the kinematics analysis of mechanism by three various methods (numerical, graphical and with 64

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

the computer aid) and so they can consider advantages and disadvantages of them. Students study planar mechanism, but the same principles can be used for space motion of mechanism in the future and real practice. To understand the assembly behaviour it is necessary to simulate the kinematics motion and within the software to define the joins through the easy connections as are pin joints, ball joints, sliders and the other. After the mechanism modelling followed by joints and input parameters specification (component material, input velocity, acceleration, ...) it is possible to activate the kinematics and dynamic analysis. Output data can be displayed as values, vectors or as graphs or it can be sent to other software for the next processing. The type of assembly with components motion in space is represented by robots.

The special module of software application facilitates to imitate the trajectory of every selected point and to generate the work space of robot, so called work envelope. Created envelope can be saved as the virtual part for next utilization. The Figure 4 shows 3D model of manipulator with the analysis in one of its hydraulic cylinder and its work envelope.

Fig. 4. Manipulator with output data of kinematics analysis All parts and devices can be included to the whole production system. The modelling of the manufacturing process in real time is one of the most difficult parts of process planning, because it has to imply the knowledge from all fields of the production. The designing of the process is done step by step; at the first the features of process were prepared, then they were placed according to workspace plan and at the end the whole process was animated. The output of suggestion is the *.avi file that can provide to the designers all collision places and so he can solve the problems before the workshop building. The Figure 5 shows the workshop for the gears production.

Fig.5 Manufacturing process simulation

65

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

The special utilization of the software application is e-drawings creation. Individual views are not generated by line and circle drawing, but they are created in one step on the base of 3D model. It can be displayed in several types of views (axonometric, projected, detailed, cross section). All features can be dimensioned very easily and dimensions are regenerated at every 3D model changes.

Conclusion The reforms in education system have to reflect a high degree of student’s freedom to choose a form and content of education. At the same time it is necessary to innovate the school equipments, devices and textbooks at all levels of education to improve the relationship teacher-student. It requires the following steps [1]: − the contentual and procedural transition of the traditional school into the modern school with the implementation of changes and study attractiveness increasing, − the supporting and improving of the education in: foreign languages, information technology, basic business knowledge and skills of every graduates, − the quality of teachers improving, especially by improving of conditions for their continuing education and skills development.

The key for the achieving of these goals is a flexible system in which universities react mainly to the requirements of young people, but also to the demand for lifelong learning of experts. Nobody doubt about CAD/CAM advantages, so one of the priority of Slovak universities is the implementation of computer aid into the most of their lessons and into their study programs. The utilization of information technologies becomes certainty today. The best Slovak universities are comparative with foreign ones not only in the teaching system but in the research, too. Through their activities, the universities should also be the "engine" of social and economic development of region in which they are situated.

Acknowledgment Paper originates with the direct support of Ministry of Education of Slovak republic by grants KEGA 035TUKE-4/2011.

References: 1. Dostal, J., Serafin, C., Havelka, M. & Minarcik, J. (2012). Assessment of Quality of Material Educational Tools for Technical Education, Procedia - Social and Behavioral Sciences, 69, 709-718. 2. Monka, P. (2005). Computer aided desing of fixtures for NC machine tools, Scientific Bulletin, 19/C, (pp. 495-498). Baia Mare, Romania. 3. Jurko, J. & Panda, A. (2010). Simulation of accompanying phenomena in the cutting zone during drilling of stainless steels, Advanced Computer Theory and Engineering, (pp. 6239-6243), Chengdu, China.

66

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

УДК 621.9.029 – 002.53 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА ПОВЕРХНОСТНЫХ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЁВ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ ТРИБОСИСТЕМ Бутенко В.И, Агренин Е.В. (кафедра механики Южного федерального университета, г. Таганрог, Россия) Аннотация: В работе показано влияние состава многокомпонентных функциональных слоев на поверхностях деталей трибосистем на интенсивность их изнашивания. Ключевые слова: трибосистема, деталь, многокомпонентные слои, режимы трения, полимер, работоспособность, изнашивание. В современном машиностроении остро стоит проблема повышения работоспособности деталей трибосистем. Весьма перспективным направлением в решении этой проблемы является создание на их рабочих поверхностях многокомпонентных функциональных слоёв, обладающих свойством приспосабливаться к условиям эксплуатации [1, 2]. Однако выполненные исследования показывают, что при их формировании на поверхностях деталей трибосистем важно создать такой состав многокомпонентного слоя, который способствовал бы минимизации износа в контактной зоне взаимодействующих поверхностей. С целью определения оптимального количественного соотношения компонентов в наносимом слое были проведены сравнительные исследования различных составов многокомпонентных слоёв при разных режимах трения, в результате которых было установлено, что определяющим фактором при назначении состава многокомпонентной системы, содержащей полимер, является температура в контактной зоне взаимодействующих поверхностей деталей, которая не должна превышать температуры деполимеризации используемого полимера более чем на 20%. Об этом свидетельствуют фотографии поверхностей с многокомпонентными слоями, полученные при разных температурах в контактной зоне взаимодействующих поверхностей деталей трибосистем (рис. 1). В общем случае рекомендуются следующие соотношения между компонентами создаваемого на поверхности детали слоя (весовые части): легкоплавкий сплав – 1; полимер – 0,05 – 0,1; графит (дисульфид молибдена) – 0,2 – 0,3; кристаллический йод – 0,005 – 0,01.

а б Рис. 1. Фотографии многокомпонентного слоя, содержащего полиэтилен, сплав Вуда, графит и кристаллический йод, при контактных температурах 60о С (а) и 100о С (б) (увеличение 100)

67

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

На рис. 2 приведены фотографии ячеистой структуры многокомпонентного слоя на поверхности детали с разными полимерами (а – полиэтиленом; б - полистиролом), которые образуются в условиях трения при давлении взаимодействующих поверхностей деталей трибосистем р = 0,5 МПа, скорости скольжения Vск = 0,3 м/с и температуры в зоне контакта Θк = 80оС после 60мин. эксплуатации. Анализ представленных структур свидетельствует о процессе вероятной диффузии графита в многокомпонентном слое в направлении к границе поверхности, что благоприятно сказывается на снижении коэффициента трения и интенсивности износа в контактной зоне взаимодействующих поверхностей деталей трибосистем. Снижение коэффициента трения в зоне контакта способствует кристаллический йод, который в силу своей химической активности образует на поверхностях деталей йодистые соединения, имеющие слоистую структуру.

а б Рис. 2. Фотографии многокомпонентных слоёв на основе полиэтилена (а) и полистирола (б) после 60 мин эксплуатации (р = 0,5 МПа, Vск = 0,3 м/с, Θк = 80оС; увеличение 100) Предварительные исследования показали, что интенсивность изнашивания поверхностей деталей трибосистем в основном определяется составом многокомпонентного слоя и условиями трения. Используя метод планирования эксперимента типа 2к [3], были получены следующие эмпирические зависимости интенсивности изнашивания I от состава многокомпонентного слоя и условий трения для систем, детали которых изготовлены из железоуглеродистых сплавов при начальной шероховатости поверхностей в пределах Rz = 0,8 – 1,25 мкм: полиэтилен + сплав Вуда + графит + кристаллический йод I = 3,254 П0,867 Сп1,012 См0,535 И0,118 p0,692 Vск0,461 Θ0,225, мг/час; полиэтилен + сплав Розе + графит + кристаллический йод I = 2,942 П0,849 Сп1,005 См0,591 И0,129 p0,648 Vск0,524 Θ0,257, мг/час; полиэтилен + сплав Вуда + дисульфид молибдена + кристаллический йод I = 3,013 П0,905 Сп1,106 См0,579 И0,098 p0,586 Vск0493 Θ0,236, мг/час; полистирол + сплав Вуда + графит + кристаллический йод I = 2,865 П1,109 Сп1,205 См0,472 И0,274 p0,563 Vск0,465 Θ0,348, мг/час; полистирол + сплав Вуда + дисульфид молибдена + кристаллический йод I = 2,754 П1,008 Сп1,314 См0,501 И0,218 p0,439 Vск0,482 Θ0,319, мг/час; капрон + сплав Вуда + графит + кристаллический йод I = 3,842 П1,105 Сп1,143 См0,492 И0,196 p0,573 Vск0,504 Θ0,418, мг/час; капрон + сплав Розе + дисульфид молибдена + кристаллический йод

68

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

I = 3,906 П1,132 Сп1,185 См0,512 И0,216 p0,506 Vск0,478 Θ0,397, мг/час, где П, Сп, См, И – весовые части, соответственно, полимера, легкоплавкого сплава, твёрдой смазки, кристаллического йода; p – давление в зоне контакта взаимодействующих поверхностей, МПа; Vск – скорость скольжения, м/с; Θ – температура в зоне контакта, град. С. Полученные эмпирические зависимости справедливы в следующем диапазоне изменения условий трения: р = 0,1 – 1,0МПа; Vск = 0,1 – 0,5м/с; Θ = 20 – 100оС. При этом технологические остаточные напряжения в материале поверхностного слоя, полученные в результате финишной обработки детали трибосистемы, должны находиться в диапазоне от +50 МПа до – 100 МПа. Результаты выполненных исследований были рекомендованы для повышения работоспособности трибосистем, входящих в механизмы машины перегрузочной МП1000 водо-водяного энергетического реактора типа ВВЭР, отдельные устройства которой представлены на рис. 3. Подконтрольная эксплуатация этих устройств в течение трёх лет показала, что нанесение на поверхности деталей трибосистем многокомпонентного слоя (полиэтилен + сплав Вуда + графит + кристаллический йод) позволяет на 30% увеличить межремонтный период при сохранении заданной надёжности реактора.

1

2

3

4

Рис.3. Устройства машины перегрузочной МП-1000 водо-водяного энергетического реактора: 1 – грузовая тележка; 2 – сборка рабочей штанги; 3 – рабочая и телевизионная штанги (сборка для зачистки); 4 – сборка телевизионной штанги

69

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Список литературы: 1. Бутенко В.И. Структура и свойства поверхностного слоя деталей трибосистем [Текст] / В.И. Бутенко. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012. – 367 с. 2. Бутенко В.И. Технология создания металлополимерных слоёв на контактных поверхностях деталей трибосистем [Текст] / В.И. Бутенко // Наукоёмкие технологии в машиностроении. – 2011. – №12. – С. 38 – 45 . 3. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий [Текст] / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. – М.: Наука, 1971. – 283 с.

УДК 621.9: 658.5 ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ЗМІННИХ ПАРАМЕТРІВ МЕХАНІЧНОЇ ОБРОБКИ НА ШОРСТКІСТЬ КРИВОЛІНІЙНИХ ПОВЕРХОНЬ ПІД ЧАС ТОЧІННЯ Король К. О., Івченко Т.Г., Фенік Л.М. (кафедра ТМ, ДонНТУ, м. Донецьк, Україна) Анотація. Визначений вплив головних та допоміжних кутів у плані леза різального інструменту на шорсткість обробленої поверхні для заданих радіусів при вершині леза та подач. Досліджені закономірності зміни кінематичних кутів у плані леза інструменту під час токарної обробки криволінійних поверхонь та встановлений їх вплив на шорсткість опуклих поверхонь обертання. Ключові слова: точіння, криволінійна поверхня, шорсткість, подача Підвищення якості деталей машин під час їх механічної обробки – важлива задача технології машинобудування, в зв’язку з чим виконані дослідження впливу на шорсткість оброблених поверхонь параметрів процесу різання достатньо актуальні. В наступний час широко відомі загальні закономірності формування шорсткості оброблених поверхонь в залежності від умов механічної обробки [1, 2], які є основою прогнозування рівня шорсткості на стадії проектування технологічних процесів та керування параметрами шорсткості на стадії виготовлення деталей машин. Однак, інформація по забезпеченню якості криволінійних поверхонь практично відсутня. Особливістю обробки криволінійних поверхонь являється складний характер зміни кінематичних геометричних параметрів леза інструменту, режимів різання і параметрів зрізу поверхневого шару, пов’язаний з кривиною поверхні, що суттєво ускладнює аналіз впливу цих параметрів на рівень шорсткості. Дослідження в цьому напрямку досить обмежені. В роботі [3], присвяченій направленому формуванню показників якості деталей, розглянуті питання обробки фасонних поверхонь, однак характер та ступінь впливу змінних параметрів процесу різання на шорсткість не визначені. Відомо, що серед геометричних параметрів різального інструменту найбільший вплив на шорсткість оброблених поверхонь мають головні та допоміжні кути у плані, серед режимів різання – подача [1, 2]. В роботі [4] досліджений вплив кінематичних кутів у плані леза інструмента на шорсткість криволінійних поверхонь без урахування змінності швидкості та подачі, що справедливо лише у разі обробки з постійною контурною швидкістю на станках з ЧПК. В інших випадках в розрахунках шорсткості оброблених криволінійних поверхонь змінність подач необхідно враховувати. Метою представленої роботи є встановлення закономірностей формування шорсткості криволінійних поверхонь під час точіння з урахуванням змінних кінематичних кутів у плані леза інструменту та фактичних подач.

70

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Під час обробки криволінійних поверхонь як головні, так і допоміжні кути в плані, а також фактичні подачі, одночасно змінюються (рис. 1). Приклад визначення кінематичних головних φК та допоміжних φ1К кутів у плані та фактичних подач s наведений для опуклої поверхні з постійним радіусом кривини ρ (образуюча поверхні обертання – коло, центр прийнятої системи координат є центром кривини, тобто центром кола). Обробка виконується інструментом з тригранною пластиною, для якої статичні кути в плані: φС = 90о; φ1С = 30о з постійною подачею на оберт sо. Положення вершини леза на вказаній криволінійній поверхні визначається миттєвим кутом повороту ςі = 90о - ψі, який розраховується наступним чином: cos  i = sin i = ( − x )  = 1 −  ;  i = arcsin(1 −  ) ,

(1)

де ξ = x/ρ – безрозмірна координата. Кінематичні головний φК та допоміжний φ1К кути в плані (рис. 1а) визначаються відносно напрямку руху подачі DSі наступним чином:

 K =  C −  i =  C − arcsin(1 −  ) ; 1K = 1C +  i = 1C + arcsin(1 −  ) .

(2)

Рис. 1. Схема визначення кінематичних кутів у плані леза інструменту - а) та фактичних подач – б) під час точіння опуклої криволінійної поверхні В початковий момент обробки вказаної криволінійної поверхні (точка Оо) головний кут в плані φК = 0, допоміжний φ1К = 120о. Під час подальшої обробки головний кут в плані збільшується, а допоміжний – зменшується до рівня їх статичних значень. За один оберт деталі вершина леза переміщується з точки Оо в точку О1 (рис. 1б) з фактичною подачею s1 = ОоО1, яка може бути прийнятою такою, що дорівнює довжині дуги ОоО1 = ρς1 ( ς1 вимірюється в радіанах): s1 ( ) = Oo O1 ≈  1 =  arccos(( − s o )  ) =  arccos(1 −  ) . Для загального випадку (і – го оберту деталі) фактична подача sі = Оі-1Оі:

71

(3)

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

si ( ) = Oi −1Oi ≈  ( i −  i −1 ) =  [arccos(1 − i ) − arccos(1 − (i − 1) )] .

(5)

Під час обробки різцями середнє арифметичне відхилення профілю Rа криволінійної поверхні в залежності від миттєвого кута повороту, або безрозмірної координати ξ, визначається розрахунковою висотою нерівностей профілю Rz: Rа = 0,005Rz [1]:

  r 4r 2 − s( )2 bc (2s( ) + bc ) s ( ) − + + Ru , 1K ≥ arcsin i ≤ K ;  cos  2 cos  32 r 2 r   bc r (1 − cos  K ) R z ( ) =  + + Ru + cos  1 tg K + 2r s( )     sin  K s( ) cos  K − s( ) sin  K (2r − s( ) sin  K )    ,  < arcsin si ( ) ≤  , + 1K K  cos  2r де r – радіус при вершині різця; γ – передній кут різця; Rи – висота нерівностей профілю на вершині різця; bс - величина пластичного відтиснення: bc = 0,5и(1-20/Т): и - радіус округлення різальної кромки інструмента; Т, 0– межа текучості та зсувна міцність оброблюваного матеріалу.

Рис. 2. Графіки зміни фактичної подачі s - а) та параметрів шорсткості Rа - б) криволінійної поверхні в залежності від безрозмірної координати Графіки зміни фактичної подачі s та параметрів шорсткості Rа в залежності від розташування вершини леза на обробленій криволінійній поверхні, тобто від безрозмірної координати ξ (з урахуванням одночасної зміни кінематичних кутів у плані та фактичних подач) наведені на рис. 2 для наступних умов: радіус при вершині різця r = 1мм; подача sо =const. Графіки свідчать, що фактична подача на початку обробки вказаної криволінійної поверхні (від точки Оо на рис. 1) суттєво перевищує задану подачу на оберт sо, (рис.

2а), внаслідок чого в цій зоні і шорсткість обробленої поверхні Rа (рис. 2б) має найбільше значення, яке відповідно зменшенню фактичної подачі під час подальшої обробки також зменшується.

72

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

На підставі встановлених закономірностей зміни кінематичних кутів у плані леза інструменту та фактичних подач під час токарної обробки опуклих криволінійних поверхонь визначений характер зміни шорсткості обробленої поверхні в залежності від положення вершини леза на поверхні (від безрозмірної координати). В результаті виконаних досліджень встановлені кількісні зв’язки шорсткості з кутами у плані леза інструменту та фактичними подачами, які складають підставу для розробки методів керування шорсткістю під час обробки криволінійних поверхонь. Перелік літератури: 1. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин / А.Г. Суслов. - М.: Машиностроение, 2000. - 320с. 2. Качество машин: Справочник. В 2 т. Т.1 / А.Г. Суслов, Э.Д. Браун, Н.А. Виткевич и др. - М.: Машиностроение, 1995. - 256с. 3. Марецкая В.В. К вопросу автоматизации направленного формирования показателей качества деталей / В.В. Марецкая // Вестник компьютерных и информационных технологий. – 2008. – № 3. – С.29 – 34. 4. Івченко Т.Г. Визначення впливу кінематичних кутів у плані леза інструмента на шорсткість криволінійних поверхонь / Т.Г. Ивченко, К.О Король // Молодая наука ХХI века: Сборник научных работ международной научной конференции. Краматорск: ДГМА, 2013. – С.80 -83. УДК 621.713 СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ЗНАНИЙ О МАРКИРОВКЕ ЧУГУНОВ И СТАЛЕЙ В СИСТЕМЕ СТАНДАРТОВ ГОСТ Чофу Ю., Ницуленко Т., Болундуц И.-Л., Тока А. (Технический Университет Молдовы, г. Кишинев, Республика Молдова) Abstract: In the paper attempted to systematize the structures of iron and steel grade designations in the system of the standards GOST in the image of European standards (EN 10027-1:2005). Стандартизация материалов преследует множество целей и среди них можно отметить устранение технических препятствий для производства и торговли, обеспечение взаимозаменяемости, технической и информационной совместимости материалов и изделий из них. Знания о материалах, в том числе о металлических, является важнейшей компонентой подготовки инженерных кадров неметаллургических специальностей. Поскольку время на дисциплины связанные с материаловедением в учебных планах ограничено важна систематизация информаций, так чтобы металлические материалы были хорошо узнаваемы. Маркировка чугунов с системе стандартов ГОСТ. Для маркировки чугунов система стандартов ГОСТ предусматривает использование алфавитно-цифровых кодов отражающие их характеристики или их химический состав. Структура и порядок формирования маркировки представлены в таблице 1. Примеры маркировок чугунов по химическому составу: ЧН3ХМДШ; ЧХ28Д2; ЖЧЮ6С5.

•

•

Маркировка чугунов формируется следующим образом: наименование чугуна:  П для Передельного чугуна;  Л для Литейного чугуна;  Ч для Чугуна; общая характеристика чугуна записанная:  после буквы П:

73

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

 по умолчанию для чугуна (передельного) перерабатываемого в сталь;  Л для Литейного (передельного) чугуна  Ф для Фосфористого (передельного) чугуна;  ВК для чугуна (передельного) Высокого Качества;  после буквы Л:  по умолчанию для чугуна (литейного) обыкновенного качества;  Р для Рафинированного (литейного) чугуна; Таблица 1. Структура маркировки чугунов в системе стандардов ГОСТ Чугун Характеристика Маркировка по характеристикам (по умолчанию - для 1, 2 (число – порядковый номер в передельный производства стали) порядке уменьшения %Si) (П1, П2, ПЛ1, ПЛ2, П Л (литейный) ПФ1, ПФ2, ПФ3, Ф (фосфористый) 1, 2, 3 (число – порядковый номер в ПВК1, ПВК2, ПВК3) ВК (высокого качества) порядке уменьшения %Si) (по умолчанию 1...6 (число – порядковый номер в литейный обычного качества) порядке уменьшения %Si) (Л1, Л2, Л3, Л4, Л5, Л Л6, ЛP1, ЛP2, ЛP3, 1...7 (число – порядковый номер в Р (рафинированный) ЛP4, ЛP5, ЛP6, ЛP7) порядке уменьшения %Si) серый nn (предел прочности на разрыв, (СЧ10, СЧ15, СЧ20, С daN/mm2) СЧ30, СЧ35) nn-mm (предел прочности на разрыв, ковкий даН/мм2 и относительное удлинение, (КЧ30-6, КЧ50-5, К КЧ65-3, КЧ70-2) %) высокопрочный В Ч (ВЧ35, ВЧ70, ВЧ90) nn (предел прочности на разрыв, даН/мм2) с вермикулярным ВГ (вермикулярный графитом графит) В (высокопрочный) 1, 2 (порядковый номер) износостойкий А (АЧВ-1, АЧС-1, С (серый) 1...6 (порядковый номер) АЧК-1, АЧК-2) К (ковкий) 1, 2 (порядковый номер) Маркировка по химическому составу (износостойкие, корозионностойкие, жаропрочные, жаростойкие, маломагнитные и др.) слабо EaEaEa (серия пар: символ легированный легирующего элемента E и его высоко Ч содержание в %). легированный Ш (в конце) - шаровидный графит жаропрочный Ж

•

•

•

характеристика чугуна общего назначения записанная перед буквой Ч:  С для Серого чугуна (с пластинчатым графитом);  К для Ковкого чугуна (с хлопевидным графитом);  В для Высокопрочного чугуна (с шаровидным графитом);  А для Антифрикционного чугуна;  Ж для Жаропрочного чугуна; дополнительная характеристика:  структуры: ВГ для чугуна с Вермикулярным Графитом;  структурной основы при выработке антифрикционного чугуна:  В для Высокопрочного (антифрикционного) чугуна;  С для Серого (антифрикционного) чугуна;  К для Ковкого (антифрикционного) чугуна; количественная характеристика:

74

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

 n – порядковый номер в стандарте для чугунов:  передельного: для выработки стали (П) и литейного (ПЛ) - 1, 2; с высоким содержанием фосфора (ПЛФ) и высокого качества (ПВК) - 1...3;  литейного (Л) - 1...6 и литейного рафинированного (ЛР) - 1...7;  антифрикционного: высокопрочного (АВ) и ковкого (АК) - 1, 2; серого (АС) - 1...6;  nn - предел прочности на разрыв (два числовых символа) в даН/мм2 для чугунов:  серого (C);  высокопрочного (ВЧ);  с вермикулярным графитом (ЧВГ);  nn-mm - предел прочности на разрыв в даН/мм2 и относительное удлинение в процентах (по два числовых символа) для ковких чугунов (К);  EaEaEa - химический состав выраженный серией сгруппированнах в парах русских символов легирующих элементов и их содержания в процентах для чугунов:  слаболегированных и высоколегированных (Ч);  жаропрочных (ЖЧ). Маркировка сталей с системе стандартов ГОСТ. Для маркировки сталей система стандартов ГОСТ предусматривает использование алфавитно-цифровых кодов отражающие их характеристики или их химический состав. Структура и порядок формирования маркировки представлены в таблице 2. Маркировка по характеристикам делается для стали конструкционной обыкновенного качества и для строительной стали. Для сталей конструкционных обыкновенного качества маркировка включает: • принадлежность стали к одной из групп: А (по умолчанию и буква А не пишется), Б или В. Стали группы Б вырабатываются в мартеновских печах (M), по методу Бессемера (Б) и в конвертерах (К). По неоходимости вместо буквы Б пишутся соответственно M, Б или К. Стали группы В вырабатываются в мартеновских печах (M) и в конвертерах (К). pot fi elaborate după metodele Marten (M) şi în convertizoare (К). По неоходимости M или К пишутся сразу после буквы В.

• Ст от слова Сталь конструкционная обыкновенного качества; • 0...6 - номер марки в стандарте в порядке увеличения механических характеристик; • степень раскисления:  сп для спокойной стали  пс для полуспокойной стали;  кп для кипящей стали; Для строителных сталей маркировка включает: • C от слова Строительная сталь; • nnn – предел текучести в Н/мм2; • К для варианта химического состава (по сравнению с базовым и при одинаковых пределах текучести); • Д для стали с высоким содержанием меди (Д - символ меди в сплавах на основе железа); • Ш – электрошлаковый переплав. Маркировка сталей по химическому составу (дополненная символами

75

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

назначения) включает: • символ назначения:  A для Автоматной стали;  AC для Автоматной Свинцовистой стали;  Ш для подшипниковой стали;  У для Углеродистой инструментальной стали; Таблица 2. Структура маркировки сталей в системе стандардов ГОСТ Сталь

1 конструкционная обыкновенного качества (Ст4кп, BСт6сп) строительная (С235, C345К, С590)

2

Характеристика основная Маркировка по характеристикам 3 4 5

6

7

кп (кипящая) A 0...6 Ст (порядковый пс (полуспокойная) Б (Сталь) номер) cп (спокойная) B К (вариант химического nnn (предел состава) текучести, Д (высокое содержание Н/мм2) меди) Маркировка по химическому составу

C (Строительная)

конструкционная качественная и высококачественная (10кп, 35, 45Л, 58A)

Ш (электрошлаковый переплав)

А (высокоЛ качестве- Литейная ная) EaEaEa А (серия пар: символ (высоколегирующего элемента E качествеи его содержание в %) ная) nn XaXEaEa (сотые %С) (серия пар: символ Л легирующего элемента E и его содержание в %, на первой позиции – хром ХaX) nn или nnn (сотые %С) EaEaEa А (серия пар: символ (высококачественная) легирующего элемента nn (сотые %С) E и его содержание в %) кп пс сп

nn (сотые %С)

конструкционная легированная (12XH3, 30XH2BФ) высоколегированная нержавеющая и жаропрочная (12Х13, 17X18H9) износостойкая (110Г13Л, 30Х10Г10) пружинная (65, 60С2ХФА) криогенная (10Х14Г14Н4Т) трубная (45, 15ГС, 12Х8)

K (Котловая) или EaEaEa nn (серия пар: символ (сотые %С) легирующего элемента E и его содержание в %)

котловая (18К, 12Х1МФ) A Автоматная (А20, АС40, АС38ХГМ)

уточняющая

EaEaEa nn (серия пар: символ AC (свинцо- (сотые %С) легирующего элемента E вистая) и его содержание в процентах)

76

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Продолжение табл. 2.

1

2

3 Ш (подшипниковая)

подшипниковая (ШХ15, ШХ20СГ, 8Х4В9Ф2-Ш)

углеродистая инструментальная (У9, У11A, У8ГА) легированная инструментальная (ХВГ, 3Х2МНФ) быстрорежущая (Р6М5Ф3, 11Р3АМ3Ф2)

•

• • •

• •

У (углеродистая)

4

5 6 7 ХaXEE (главный легирующий элемент хром и его содержание в десятых % ХaX, символы других легирующих элементов) XaXEaEa (серия пар: символ nn Ш легирующего элемента E (десятые (электрошлаковый и его содержание в %, на %С переплав) первой позиции – хром ХaX ) А (высокоEaEaEa качествеnn (серия пар: символ (десятые ная) легирующего элемента E %С) и его содержание в %) PaMaФaKa (серия пар: символ легирующего элемента E nn (десятые и его содержание в % в порядке W (P вместо B), %С) Mo (M), V (Ф), Co (K)

nn или nnn - 2 или 3 числовых символа отражающих содержание углерода в сотых долях процента или в десятых долях процента (подшипниковая, углеродистая инструментальная, легированная инструментальная и быстрорежущая стали); сп, пс или кп - степень раскисления (для сталей конструкционных качественных и высококачественных с содержанием углерода менее 0,2%); K для Котловой стали (здесь символ специфического назначения используется вместо характеристики легирования); EaEaEa - химический состав выраженный серией сгруппированнах в парах русских символов легирующих элементов и их содержания в процентах (в десятых долях процента для хрома в подшипниковых сталях):  в порядке: хром (Х), марганец (Г), кремний (С), никель (Н), молибден (М), титан (Т) и др. для конструкционных легированных и автоматных сталей;  вначале хром (Х), затем другие легирующие элементы в порядке уменьшения содержания для высоколегированных нержавеющих, жаропрочных, криогенных, трубных, подшипниковых сталей;  в порядке уменьшения содержания для сталей пружинных, котловых, легированных для труб и легированных инструментальных;  в порядке: вольфрам (P вместо B - символа вольфрама в сплавах на основе железа), молибден (M), ванадий (Ф), кобальт (K) для быстрорежущих инструментальных сталей (PaMaФaKa);  в несистематизированном порядке для износостойких сталей; A - символ высокого качества конструкционных сталей; Л - литейная сталь;

77

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

•

Ш - електрошлаковый переплав.

Список литературы: 1. ГОСТ 28394-89. Чугун с вeрмикулярным графитом для отливок. Mарки. 2. ГОСТ 1412-85. Чугун с пластинчатым графитом. Mарки. 3. ГОСТ 1215-79. Отливки из ковкого чугуна. Общиe тeхничeскиe условия. 4. ГОСТ 7293-85. Чугун с шаровидным графитом. Mарки. 5. ГОСТ 1585-85. Чугун антифрикционный для отливок. Mарки. 6. ГОСТ 4832-95. Чугун литeйный. Тeхничeскиe условия. 7. ГОСТ 805-95. Чугун пeрeдeльный. Тeхничeскиe условия. 8. ГОСТ 7769-82. Чугун лeгированный для отливок со спeциальными свойствами. Mарки. 9. ГОСТ 380-2005. Сталь углeродистая обыкновeнного качeства. Mарки. 10. ГОСТ 1050-88. Прокат сортовый, калиброванный, со спeциальной отдeлкой повeрхности из углeродистой качeствeнной стали. Общиe тeхничeскиe условия. 11. ГОСТ 977-88. Отливки стальные. Общие техническик требования. 12. ГОСТ 4543-88. Прокат из лeгированной конструкционной стали. Тeхничeскиe условия. 13. ГОСТ 5632-72. Стали высоколeгированныe и сплавы коррозионно-стойкиe, жаростойкиe и жаропрочныe.

Mарки. 14. ГОСТ 1414-75. Прокат из конструкционной стали повышeнной обрабатываeмости рeзаниeм. Тeхничeскиe условия. 15. ГОСТ 14959-79. Прокат из рeссорно-пружинной углeродистой и лeгированной стали. Тeхничeскиe условия. 16. ГОСТ 801-78. Сталь подшипниковая. Тeхничeскиe условия. 17. ГОСТ 5520-79. Прокат листовой из углeродистой низколeгированной и лeгированной стали для котлов и сосудов, работающих под давлeниeм. Тeхничeскиe условия. 18. ГОСТ 9941-81. Трубы бесшовные холодно- и теплодеформированные из коррозионно-стойкой стали. Технические условия. 19. ГОСТ 1435-99. Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали. 20. ГОСТ 5950-2000. Прутки полосы и мотки из инструментальной легированной стали. 21. ГОСТ 19265-73. Прутки и полосы из быстрорежущей стали. Технические условия. 22. ГОСТ 20072-74. Сталь тeплоустойчивая. Тeхничeскиe условия. 23. ГОСТ 27772-88. Прокат для строитeльных стальных конструкций. Общиe тeхничeскиe условия.

УДК 621.01(06) ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОВЫШЕНИЯ СВОЙСТВ ВНУТРЕННИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ (ВЦП) ИЗДЕЛИЙ НА БАЗЕ ПНЕВМОСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКИ Шейко Е.А., Стельмах Д.Я. (Кафедра ГЗТЛ, ДонНТУ, г.Донецк, Украина) Выполненный анализ особенностей эксплуатации ВЦП изделий позволил установить следующее. При эксплуатации ВЦП изделия в сопряжении с элементом в условиях действия нагрузки P и наличия вращения n и осевого перемещения v возможны три основных случая распределения удельной нагрузки (контактных напряжений). Первый случай может возникать тогда, когда отсутствует перекос продольных осей ВЦП и сопряженного элемента при  = 0 (идеальный случай). При данном расположении элементов отсутствует кромочный контакт, а по образующей ВЦП равномерно действует максимальная удельная нагрузка q на длине l между точками ab вследствие действия нагрузки P . Здесь, можно отметить, что по направляющей ВЦП действует неравномерная нагрузка, которую можно определять в соответствии с контактны-

78

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

ми задачами Герца или Штаермана. При наличии вращения n и осевого перемещения ВЦП изделия и элемента в относительном движении v возникает равномерный износ поверхностей. Второй случай взаимодействия элементов возможен при положительном перекосе продольных осей  > 0 . При данном взаимодействии элементов, у правого торца изделия на ВЦП возникает кромочный контакт. Под действием упругих и пластических деформаций контактная зона распространяется на величину l1 по образующей ВЦП между точками a1b1 . В этом случае действует максимальная удельная нагрузка pmax1 . В этих условиях вращение n и осевые перемещения v элементов приводят к неравномерному износу поверхностей. Третий случай взаимодействия элементов происходит в условиях отрицательного перекоса продольных осей  < 0 . При данном взаимодействии элементов, у левого торца изделия на ВЦП возникает кромочный контакт. Под действием упругих и пластических деформаций контактная зона распространяется на величину l 2 по образующей ВЦП между точками a2b2 . В этом случае действует максимальная удельная нагрузка pmax 2 . В этих условиях вращение n и осевые перемещения v элементов приводят также к неравномерному износу поверхностей. На практике, рассмотренные три случая могут объединяться, что приводит к неравномерному износу и разрушению ВЦП изделия. Это обусловлено краевыми эффектами эксплуатации ВЦП изделия. Для повышения эксплуатационных возможностей ВЦП изделия необходимо предусматривать различные мероприятия по обеспечению необходимых свойств изделий. Целью данной работы является повышение качества ВЦП изделия технологическими методами в зависимости от особенностей эксплуатации. В соответствии с поставленной целью в работе определены следующие задачи: предложить варианты обеспечения свойств по краям ВЦП, провести исследования по обеспечению переменных свойств ВЦП изделий, выполнить исследования параметров шероховатости ВЦП. Эти задачи решаются в данной работе. На рис. 1 представлены основные варианты схем обеспечения свойств по краям ВЦП изделия: 1 – обеспечение закругления кромок радиусом r, 2 – обеспечение постоянных свойств по краям ВЦП на базе пескоструйной обработки по длине образующей на величину a1b1 и a2b2 , 3 - обеспечение переменных свойств по краям ВЦП на величину a1b1 и a2b2 , 4 – обеспечение закругления кромок r и постоянных свойств по краям ВЦП величину a1b1 и a2b2 , 5 - обеспечение закругления кромок r и переРис. 1. Основные варианты менных свойств по краям ВЦП на величину a1b1 и схем обеспечения свойств a2b2 , а также постоянных свойств на рабочей по по краям ВЦП изделия

79

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Рис. 2. Установка для пневмоструйной об- Рис. 3. Общий вид изделий с ВЦП работки ВЦП изделий верхности ВЦП изделия на величину (l − l1 − l2 ) . В данной работе выполнены следующие исследования: - по определению микротвердости и параметров шероховатости поверхности ВЦП изделий после пневмоструйной обработки с постоянными технологическими воздействиями, - по определению микротвердости и параметров шероховатости ВЦП изделий после пневмоструйной обработки с переменными технологическими воздействиями. Пневмоструйная обработка ВЦП изделий выполнялась на специальной пескоструйной установке. На рис. 2 а) б) представлена установка для пневмоструйной обработки ВЦП изделий. Пневмоструйная обработка ВЦП изделий выполнялась струей сжатого воздуха, подаваемого из ресивера при давлении Q = 6 атм., с взвешенными в нем частицами песка (зерна песчинок кварца и полевых шпатов размерами 0,1 г в) … 0,5 мм) на обрабатываемую поверх) ность. Рис. 4. Поверхность На рис. 3 представлен общий вид изделия после пневизделий с ВЦП. Эти изделия являются моструйной обработки: а – обработка направляющими для колонок вырубных штампов. При эксплуатации изделий 1 с; б – обработка 3 из-за нагруженности штампа происхос; в – обработка 10 с; г – обработка 20 с; дит перекос верхней половины штампа относительно нижней половины, над – обработка 60 с

80

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

правляющие втулки, ориентируют обои половины вырубного штампа и предотвращают их смещение. При работе вырубного штампа из-за перекосов элементов около торцов ВЦП возникают кромочные контакты, которые приводят к износу данных направляющих втулок, что в ряде случаев вызывают аварийную ситуацию. Для уменьшения изнашивания направляющих втулок необходимо дополнительно выполнять предварительный наклеп поверхностей у торцов ВЦП посредством применения пневмоструйной обработки поверхностей с дальнейшим выполнением комплекса комбинированной отделочной обработки изделий. На рис. 4 представлены образцы свидетели, изготовленные из стали 18Х2Н4МА. На этих образцах свидетелях выполнены следующие виды обработки: рис. 4,а – ступенчатая обработка зон поверхности с изменяющейся длительностью технологических воздействий струи песка по зонам по длине образца, рис. 4,б – непрерывная обработка поверхности с изменяющейся длительностью технологических воздействий струи песка на поверхности по длине образца. Для изучения особенностей и закономерностей изменения параметров поверхностного слоя ВЦП изделия после пневмоструйной обработки выполнены следующие исследования: - исследования состояния поверхности ВЦП (рис. 4) на большом металлографическом микроскопе NEOPHOT–2 в зависимости от длительности пневмоструйной обработки поверхности образца; - исследования параметров шероховатости поверхности ВЦП на профилографепрофилометре в зависимости от длительности пневмоструйной обработки поверхности образца; - исследования микротвердости поверхностного слоя ВЦП на микротвердомере ПМТ-3 в зависимости от длительности пневмоструйной обработки поверхности образца; - исследование особенностей изменения радиуса кромки ВЦП r от времени пескоструйной обработки T . На рис. 4 представлена поверхность изделия из стали 18Х2Н4МА после пескоструйной обработки с увеличением × 100 раз, предварительная обработка – полирование Ra = 0,06 мкм . Здесь показано: рис. 4,а – обработка 1 с; рис. 4,б – обработка 3 с; рис. 4,в – обработка 10 с; рис. 4,г – обработка 20 с; рис. 4,д – обработка 60 с. Данные исследования выполнялись на специально модернизированном большом металлографическом микроскопе NEOPHON-2. На микроскопе выполнена модернизация за счет установки специального цифрового приемника изображения подсоединенного к компьютеру. Этот микроскоп позволяет получать увеличение до × 2000 раз. Выполненная модернизация микроскопа позволяет проводить исследования состояния поверхности после различных видов комбинированной отделочной обработки ВЦП изделий. Исследования состояния поверхности выполнялись до нанесения покрытия, после нанесения покрытия и поверхности с вакуумным ионно-плазменным покрытием. Можно отметить, что в процессе исследования поверхности изделий с изменяющимися свойствами выполнялось изучение параметров шероховатости поверхности и микротвердость в зависимости от времени технологических воздействий струи песка. Обработка выполнена на установке для пневмоструйной обработки ВЦП изделий (рис.

2).

81

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Зависимость параметров шероховатости Ra от времени технологических воздействий пневмоструйной установки (исходная шероховатость полированных образцов-свидетелей Ra = 0,06 ... 0,08 мкм. На рис. 5 представлены следующие графики: 1 – для стали 18Х2Н4МА, 2 – для стали 45 (закаленная), 3 – для быстрорежущей стали Р6М5. Исходная (средняя) микротвердость полированной поверхности образцов: 1. Для стали 18Х2Н4МА (отжиг 890 …

910 ºС, охлаждение с печью) – средняя микротвердость 0,42 ГПа.

2. Для стали 45 (закалка 850 ºС, вода, отпуск 550 ºС) – средняя микротвердость 0,64 ГПа.

3. Для стали Р6М5К5 (закалка 1230 ºС, масло, отпуск 2-х кратный 550 ºС по 1 часу) – средняя микротвердость 8,35 ГПа. Выполненные исследования показали, что микротвердость образцов, обработанных с помощью пневмоструйной установки, может изменяться на 25 – 30 %. Таким образом, проведенные исследоРис. 5. Зависимость шероховатости вания показывают, что с помощью технолоповерхности Ra от времени пневмогических воздействий можно выполнять пеструйной обработки T : 1 – сталь ременные свойства функциональных элемен18Х2Н4МА, 2 – сталь 45, 3 - быстро- тов ВЦП в зависимости от особенностей их режущая сталь Р6М5К5 эксплуатации. Для изучения влияния пневмоструйной обработки на параметры качества ВЦП изделий проведены исследования по изучению состояния поверхности ВЦП в зависимости от длительности пневмоструйной обработки поверхности образца, изменения параметров шероховатости и микротвердости поверхности ВЦП. Список литературы: 1. Рыжов Э.В. Клименко С.А., Гуцаленко О.Г. Технологическое обеспечение качества деталей с покрытиями. – Киев: Наукова думка, 1994. – 180 с. 2. Михайлова Е.А., Михайлов В.А. К вопросу нанесения вакуумных ионноплазменных покрытий на внутренние поверхности изделий машиностроения // Прогресивні технології і системи машинобудування: Міжнародний зб. наукових праць.

– Донецьк: ДонНТУ, 2005. Вип. 30. С. 157-164. 3. Михайлова Е.А. Особенности нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий на внутренние поверхности изделий машиностроения. // Упрочняющие технологии и покрытия. – М.: Машиностроение. №4.

2006. С. 32 – 35.

82

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ВИДЕОКОНФЕРЕНЦСВЯЗЬ: ОБЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ, МЕТОД СЖАТИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЛОВАРЯ Борзов Д.Б., Гуляев К.А. (Кафедра ВТ, ЮЗГУ, Курск, Россия) Abstract: The paper presents the basic concepts and methods of data compression. Describes a generalized compression algorithm that uses a system of RGB - model. The necessity of developing a method of compressing data using a dictionary and an algorithm that allows to compress the video stream. This makes it possible to reduce the transmission of data for remote transmission of data (video, remote video conference, etc.). В современном обществе управление различными проектами требует оперативного управления подчинёнными и подразделениями находящимися как в близ лежащем так и удаленном регионе Российской Федерации. Инструментом управления и контроля являются корпоративные видеоконференции. Используя современные технологии, каждый участник конференции в режиме реального времени может проводить беседу с сотрудниками, расположенными в любой точке планеты в различных часовых поясах. Исходя из этого, разработка программно-аппаратного обеспечения для сжатия потоковых данных в режиме реального времени является одним из перспективных направлений, обусловленных развитием сети интернет и современных линий связи [1]. Видеоконференция – это область информационной технологии, обеспечивающая одновременно двустороннюю передачу, обработку, преобразование и представление интерактивной информации на расстояние в режиме реального времени с помощью аппаратно-программных средств вычислительной техники. Взаимодействие в режиме видеоконференций также называют сеансом видеоконференцсвязи. Видеоконференцсвязь (ВКС) – это телекоммуникационная технология интерактивного взаимодействия двух и более удаленных абонентов, при которой между ними возможен обмен аудио- и видеоинформацией в реальном масштабе времени с учетом передачи управляющих данных Видеоконференция применяется как средство оперативного принятия решения в той или иной ситуации; при чрезвычайных ситуациях; для сокращения командировочных расходов в территориально распределенных организациях; повышения эффективности; проведения судебных процессов с дистанционным участием осужденных, а также как один из элементов технологий телемедицины и дистанционного обучения. Во многих государственных и коммерческих организациях видеоконференция приносит большие результаты и максимальную эффективность, а именно: - снижает время на переезды и связанные с ними расходы; - ускоряет процессы принятия решений в чрезвычайных ситуациях; - сокращает время рассмотрения дел в судах общей юрисдикции; - увеличивает производительность; - решает кадровые вопросы и социально-экономические ситуации; - предотвращает усталость и стресс; - позволяет следить за состоянием рынка и быстро реагировать на его изменения; - дает возможность принимать более обоснованные решения за счёт привлечения при необходимости дополнительных экспертов; Для общения в режиме видеоконференции абонент должен иметь терминальное устройство (кодек) видеоконференцсвязи, видеотелефон или иное средство вычислительной техники. Как правило в комплекс устройств для видеоконференцсвязи входит:

83

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

- центральное устройство – кодек с видеокамерой и микрофоном, обеспечивающего кодирование/декодирование аудио- и видео- информации, захват и отображение контента; - устройство отображения информации и воспроизведения звука. В качестве кодека может использоваться персональный компьютер с программным обеспечением для видеоконференций. Большую роль в видеоконференции играют каналы связи, то есть транспортная сеть передачи данных. Для подключения к каналам связи используются сетевые протоколы IP или ISDN. В настоящее время при кодировании видеосигнала наибольшее распространение получили различные методы сжатия с использованием словаря. Метод сжатия с использованием словаря – разбиение данных на слова и замена их на индексы в словаре. Является естественным обобщением RLE. В наиболее распространенном варианте реализации словарь постепенно пополняется словами из исходного блока данных в процессе сжатия [2]. Алгоритм, положенный в основу метода словарей, был впервые описан в работах израильских исследователей Якуба Зива и Абрахама Лемпеля, которые впервые опубликовали его в 1977 г. В последующем алгоритм был назван Lempel-Ziv, или сокращенно LZ. На сегодняшний день LZ-алгоритм и его модификации получили наиболее широкое распространение, по сравнению с другими методами сжатия. В его основе лежит идея замены наиболее часто встречающихся последовательностей символов (строк) в передаваемом потоке ссылками на "образцы", хранящиеся в специально создаваемой таблице (словаре). Алгоритм основывается на том, что по потоку данных движется скользящее "окно", состоящее из двух частей. В большей по объему части содержатся уже обработанные данные, а в меньшей помещается информация, прочитанная по мере ее просмотра. Во время считывания каждой новой порции информации происходит проверка, и если оказывается, что такая строка уже помещена в словарь ранее, то она заменяется ссылкой на нее. Основным параметром любого словарного метода является размер словаря. Чем больше словарь, тем больше эффективность. Однако для неоднородных данных чрезмерно большой размер может быть вреден, так как при резком изменении типа данных словарь будет заполнен неактуальными словами. Для эффективной работы данных методов при сжатии требуется дополнительная память. Приблизительно на порядок больше, чем нужно для исходных данных словаря. Существенным преимуществом словарных методов является простая и быстрая процедура распаковки. Дополнительная память при этом не требуется. Такая особенность крайне важна, если необходим оперативный доступ к данным. К методам сжатия с использованием словаря относятся следующие алгоритмы: LZ77/78, LZW, LZO, DEFLATE, LZMA, LZX, ROLZ [3]. В результате поиска и анализа методов кодирования и сжатия данных было выявлено широкое разнообразие решений по сжатию видео, однако все они используют одинаковый набор алгоритмов сжатия видео в различных вариантах. Предлагаемый алгоритм был написан с использованием системы RGB – модели в контексте «Теории цвета». Его цель и задачи – уменьшения объема передаваемого кадра без видимого ухудшения качества изображения в режиме передачи данных в реальном времени, а также передачу данных видеопотока на большие и сверхбольшие расстояния с использованием каналов связи различной пропускной способности, способность взаимодействовать с алгоритмами составляющие стандарты высокого уровня (H.264)(для создания собственного кодека).

84

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Цвет в RGB модели кодируется 24 битами общий объем палитры равен 2 в 24 степени, 16 777 215 цветовых оттенков [4]. Программный кодек имеет блочную структуру: - База Данных «DB_RGB» (или файл Map.txt) - Программный блок «СЕРВЕР».

- Программный блок «КЛИЕНТ». Программные блоки используют базу данных, в которую входят 4096 таблиц содержащих по 4096 значения в диапазоне RGB цвета. Каждую таблицу можно рассматривать как независимую RGB палитру, отличающихся только смещением второго октета каждого из трех байтов, иллюстрация на рис. 1.

Рис. 2. Функциональное представление таблицы RGB Рис. 1. Графическое представление базы данных RGB Функционально каждую таблицу можно представить в виде радужного кольца, иллюстрированного на рис. 2. Работа программы начинается с подключения буфера обмена к видеопотоку и копирования кадра. Далее идет опрос одной из таблиц базы данных, на её основе создается ассоциативный массив в оперативной памяти, где ключ – 12 битный «усечённый» код, значение – полный, 24 битный, код. Сканирование буфера идет с шагом в 24 бита, что соответствует длине пиксела. Эти значения подвергается обработке - удалению младших октетов каждого из трёх байтов. Исследования показали, что удаление младших октетов увеличивает энтропийность на порядок, что увеличит коэффициент сжатия если дополнительно подключить алгоритмом Хаффмана. На этом этапе сжатие проходит с коэффициентом равным 2, без потери качества изображения. Полученный код храниться в контейнере векторов в оперативной памяти, который передается функции обрабатывающей его по алгоритму «флагового» сжатия. Создаётся второй контейнер для результирующего кодирования. В него помещается результат второго этапа сжатия. Коэффициент различный и зависит от двух параметров: энтропия, размер кадра. Затем этот вектор передается параметром в функцию осуществляющую передачу через стек TCP/IP клиенту (видеопоток передается по протоколу UDP). Основываясь на анализе проблемной области, можно сделать вывод, что предложенный нами подход может являться решением рассмотренной задачи, так как позволяет в полной мере сократить объем передаваемых данных до допустимого размера при передаче на большие расстояния, а так как процесс вещания происходит в реальном времени, то необходимо применение альтернативных аппаратных средств, так как су-

85

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ществующие программно-аппаратные реализации не подходят или неспособны полностью обеспечить необходимый результат. Список литературы: 1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 с.

2. Балашов К.Ю. Сжатие информации: анализ методов и подходов: уч. пособие для вузов.– СПб.: ПИТЕР, 2004. - 234с. 3. Фомин А.А. Основы сжатия информации : учеб. Пособие– СПб.: ПИТЕР, 2006. 210 c. 4. Ватолин Д., Ратушняк А., Смирнов М., Юкин В. Методы сжатия данных. Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео.– М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003.– 384 с.

УДК 629.78 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА АКАР ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ОРБИТАЛЬНОГО МАНЕВРИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Рыбинская Т.А., Зеленина Н.А. (каф.СиПУ, ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) Аннотация: Для осуществления различного рода орбитальных маневров используют хорошо известное импульсное маневрирование. Однако данный подход имеет ряд ограничений, таких как необходимость по возможности осуществлять маневрирование только в тех точках орбиты, где скорость космического аппарата (КА) минимальна, и другие. В данной работе рассматривается современная, прогрессивная технология синтеза законов управления – метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР). Предложено решение различных задач орбитального маневрирования и несколько вариантов процедуры синергетического синтеза регуляторов. Эффективность синтезированных регуляторов подтверждается компьютерным моделированием замкнутых систем. Современный этап развития космической техники характеризуется интенсивным ростом числа создаваемых и запускаемых на орбиту космических аппаратов. Деятельность спутников и выполнение ими различных задач в космосе невозможна без осуществления орбитальных маневров. Поэтому в силу своей чрезвычайной прикладной значимости проблема орбитального маневрирования является весьма актуальной на сегодняшний день. Маневром называют целенаправленное изменение параметров движения КА, в результате которого первоначальная траектория свободного полета (начальная орбита) меняется на некоторую другую (конечная орбита). Всякое целенаправленное изменение орбиты спутника называется орбитальным маневрированием [1, 2]. В данной статье синтезируются различные законы управления орбитальным маневрированием КА, которые позволяют осуществлять необходимые энергетически выгодные маневры в космическом пространстве и гарантируют асимптотическое сближение и удержание КА на желаемой орбите. Для этого применяется современный метод синтеза систем управления – метод АКАР. Данный метод является базовым методом синергетической теории управления [3]. Математическая модель орбитального движения КА. В задачах орбитального маневрирования КА, как правило, рассматривается как материальная точка. В такой задаче уравнения движения КА выглядят следующим образом:

86

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

r(t ) = Vr ; Vr (t ) = V2 r −1 − (h 2 / p)r −2 + U r ; (t ) = V r −1 ;

(1)



V (t ) = −VrV r −1 + U  , где r и  - полярные координаты; Vr и V - радиальная и трансверсальная составляющие скорости; Ur и U  - составляющие вектора тяги;  =  +  , где  - истинная аномалия,  - угловая постоянная, которая определяет угол между линией апсид и осью OX. Полярные и декартовые координаты связаны между собой выражениями x = r cos , y = r sin  . Параметры орбиты определяются следующими соотношениями: 2 1 − e 2 p 2 h 2 , = GM =  = 398600,4 км2/с2, где p – фокальный радиус, G – посто2 2 p (1 − e ) T янная гравитации, M – масса притягивающего центра, T – время обращения, e – эксцентриситет эллипса. Синтез регуляторов. Поставим задачу синтеза законов управления для решения задач маневрирования КА: требуется определить вектор управления Ur и U  как функцию координат состояния системы (1), обеспечивающий вывод КА на заданную орбиту вращения. Согласно процедуре метода АКАР введем совокупность инвариантных многообразий, учитывающих решаемые задачи управления. В качестве первого набора инвариантов используются следующие соотношения: h=

r (1 + e cos ) − p = 0; r 2(t ) − h = rV − h = 0.

(2)



Первый инвариант в (2) представляет собой первый закон Кеплера и обуславливает движение КА по коническому сечению. Второй инвариант – это закон сохранения момента системы «Земля – КА». При таком наборе инвариантов следует ввести следующую совокупность инвариантных многообразий:  1 = Vr − 1 (r , ) = 0, (3) p  2 = V − = 0, r где 1 (r , ) – пока неизвестная функция («внутреннее» управление). На пересечении инвариантных многообразий (3) динамика системы описывается уравнениями декомпозированной системы: r = 1 (r , ),

 =

p

(4) .

r2 Для определения «внутреннего» управления введем следующее инвариантное многообразие:

87

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

3 = r −

p = 0.

1 + e cos

(5)

«Внутреннее» управление ищется как решение основного функционального уравнения T3 3 (t ) + 3 = 0 в силу уравнений модели (4):

1 (r , ) = x3 −

T3 pe sin x2 p − x13 − 2 x13e cos x2 − x13e 2 cos x2 2 + px12 + px12 e cos x2 T3 x12 (1 + 2e cos x2 + e 2 cos x2 ) 2

.

Приведенная процедура поэтапной динамической декомпозиции позволяет определить структуру инвариантного многообразия  1 = 0 и завершить синтез регулятора. Искомый закон управления орбитальным маневрированием КА представляет собой решение системы функциональных уравнений T11 (t ) +  1 = 0; T2 2 (t ) +  2 = 0

(6)

в силу уравнений модели (1) и имеет следующий вид:

U r = (2 px13e cos x2 + px13e 2 cos x2 2 − 3 x3T3 x13e cos x2 − 3 x3T3 x13e 2 cos x2 2 − − 2T1 x3T3 pe 2 sin x2 p cos x2 − 2T1 x3T3 pe sin x2 p + T1epx4 x12 sin x2 − 3T1 x3 x13e cos x2 − − 3T1 x3 x13e 2 cos x2 2 − T1 x3 x13e 3 cos x2 2 − 3T1 x42T3 x12 e cos x2 − 3T1 x42T3 x12 e 2 cos x2 2 − − T1 x42T3 x12 e 3 cos x2 3 + 2T1e 2 px4T3 sin x2 2 p + T1epx4T3 cos x2 p + T1e 2 px4T3 cos x2 2 p + + T1e 2 px4 x12 sin x2 cos x2 + 3T1T3 x1e cos x2 + 3T1T3 x1e 2 cos x2 2 + T1T3 x1e 3 cos x2 3 + + x1T3 pe sin x2 p + x1T3 pe 2 sin x2 p cos x2 − x3T3 x13e 3 cos x2 − 3 x14 e 2 cos x2 − 3

2

− 3 x14 e cos x2 − T1 x3 x13 − x14 − x3T3 x13 − T1 x42T3 x12 + px13 + T1T3 x1 − − x14 e 3 cos x2 3 ) /(T1T3 x13 (3e cos x2 + 1 + 3e 2 cos x2 2 + e 3 cos x2 3 ));

U = −

T2 p x3 − T2 x3 x4 x1 + x4 x12 − T2 x12

p x1

.

(7)

В качестве одного из инвариантов системы можно использовать энергетический интеграл стационарного движения КА:  (e 2 − 1)  2 2 (8) 0,5(V r + V ) − − = 0. r 2p Тогда совокупность вводимых инвариантных многообразий принимает вид:

 1 = Vr − 1 (r ,  ) = 0, (e 2 − 1)  = 0. r 2p где 1 (r , ) – пока неизвестная функция («внутреннее» управление).

 2 = 0,5(Vr2 + V2 ) −

88



−

(9)

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Далее проводится процедура двухэтапного синтеза регулятора, которая аналогична процедуре синергетического синтеза с первым набором инвариантов. В итоге получаем искомый закон управления, который является слишком громоздким, поэтому приведен только в самом файле программы моделирования. Компьютерное моделирование замкнутых систем. На рис. 1 представлен маневр перевода КА с начальной эллиптической орбиты с параметрами e=0,87; p=6297,8 км на эллиптическую орбиту с параметрами e=0,2; p=28000 км с применением закона (7). На рис. 2 представлен маневр перевода КА с начальной эллиптической орбиты с параметрами e=0,87; p=6297,8 км на круговую орбиту с параметрами: e=0; p=20000 км с использованием закона, полученного в результате применения энергетического интеграла движения.

Рис. 1. Фазовый портрет

Рис. 2. Фазовый портрет

Найденные законы управления позволяют успешно реализовывать компланарные орбитальные маневры без учета ограничений импульсного подхода, что подтверждается компьютерным моделированием замкнутых систем. Список литературы: 1. Иванов Н.М., Лысенко Л.Н. Баллистика и навигация космических аппаратов: Монография. – Москва: Дрофа, 2004. – 544 с. 2. Охоцимский Д.Е., Сихарулидзе Ю.Г. Основы механики космического полета: Монография. – Москва: Наука, 1990. – 448 с. 3. Колесников А.А. Синергетическая теория управления. Таганрог: Изд-во ТРТУ. 2001. 123 с. Ил.

УДК 621.9.025 ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНООРИЕНТИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ Исаев Д.С., Михайлов А.Н. (Кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Аннотация. Статья посвящена разработке функционально-ориентированных композиционных технологий обеспечивающих дальнейшее повышение качества изделий машиностроения путем композиции не менее двух различных по значимости техноло-

89

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

гий, количество которых определяется числом различных направлений обеспечения свойств изделий. Ключевые слова: функционально-ориентированных композиционных технологий, синтез технологий, структура, повышение качества. Научно-технический прогресс постоянно требует от технологов решения вопросов кардинального повышения качества изделий машиностроения. Это особенно необходимо для изделий, работающих в сложных условиях эксплуатации, к которым предъявляются высокие требования к свойствам. В эксплуатационных условиях на изделия действует целое множество различных функций. Причем эти функции имеют переменные параметры действия, что в ряде случаев приводит к быстрому выходу изделия из строя и снижению эксплуатационных свойств машины или технологической системы. Это требует обеспечения изделиям машиностроения новых нетрадиционных свойств [1, 2, 3]. Для решения этих вопросов потребны нетрадиционные подходы в создании принципиально новых технологий, позволяющих решать сложные задачи синтеза машин нового поколения с композицией свойств, получаемых за счет применения различных по значимости технологий [4]. Целью данной работы является разработка функционально-ориентированных композиционных технологий обеспечивающих дальнейшее повышение качества изделий машиностроения путем композиции не менее двух различных по значимости технологий, количество которых определяется числом различных направлений обеспечения свойств изделий. В соответствии с поставленной целью в работе определены следующие задачи: выполнить анализ и синтез функционально-ориентированных композиционных технологий; предложить общий подход их создания; разработать классификацию функционально-ориентированных композиционных технологий; дать рекомендации по их созданию. Эти задачи решаются в данной работе. Здесь предложено для обеспечения качественно новой совокупности свойств и меры полезности изделий совместно использовать множество различных по своей значимости технологий на основе принципов композиции. Здесь сразу возникает ряд вопросов: 1. Как соединять различные по своей значимости технологии? - (на базе принципов композиции).

2. Сколько по количеству технологий необходимо включать в состав композиционной технологии? - (на базе принципов бинарного соответствия числа технологий и свойств изделия).

3. Какая структура соединяемой в композицию технологии? – (на базе принципа структурного соответствия технологий и свойств изделия).

4. Какая последовательность соединения технологий? – (на базе принципов рекуррентно-итерационной последовательности).

5. Возможно, ли вести управление свойствами изделий? – (на базе принципов функционально-ориентированного подхода). Здесь главным является создание композиционной технологии, на базе которой обеспечивается возможность формировать нетрадиционные свойства изделий. Композиционная технология – это специальная технология, структура которой образовывается сочетанием не менее двух различных по значимости технологий на основе принципов композиции, количество которых определяется числом направлений

90

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

обеспечения свойств изделий. При этом используется функционально-ориентированная технология. Основные особенности синтеза композиционных технологий. Можно отметить, что композиционная технология это не сумма нескольких технологий или их прямое соединение в единую технологию. Это нечто новое, более значимое в технологии машиностроении, позволяющее обеспечивать изделиям качественно новую совокупность свойств и меру полезности. Композиционная технология это новый класс организационно-технологической формы технологии. Процесс создания этих технологий базируются на следующих принципах композиции: 1. Совместимости структуры технологий.

2. Единства и общности структуры соединяемых технологий.

3. Способности соединяемых технологий к гибридизации.

4. Управляемости технологическими воздействиями и свойствами изделий.

5. Действия между технологиями итерационно-рекуррентных связей.

6. Способности композиционной технологии к реализации качественно новых методов технологических воздействий и принципов преобразования свойств изделий.

7. Обеспечения качественно новой совокупности свойств и меры полезности. Процесс сочетания и соединения технологий в композиционную технологию базируется на следующем множестве различных по значимости технологий: 1. На технологиях T1 , структурирующихся по виду методов обработки (механической обработки, термической обработки, химической обработки, …, комбинированной обработки).

2. На технологиях T2 , образованных по классу технологических воздействий (традиционные технологии, макро-, микро- и нанотехнологии).

3. На технологиях T3 , формирующихся по типу производства (единичное, серийное и массовое производство). ………………………………………………………………………………………….. x. На технологиях Tx , подразделяющихся по организационно-технологической форме (единичные, типовые, групповые и модульные технологии). …………………………………………………………………………………………..

X. На технологиях T X , определяющихся по классу организационнотехнологической формы технологий (обычные технологии, функциональноориентированные технологии). Таким образом, композиционная технология структурируется на множестве следующих технологий: KOT = { T1 , T2 , T3 , ..., Tx , ..., TX } ; (1) KOT – композиционная технология, состоящая из X технологий; Tx - x-я технология; X – общее количество различных технологий (признаков). Генерирование полного множества различных вариантов композиционных технологий можно выполнять на базе морфологической матрицы: В целом композиционная технология базируется на композиции структур нескольких различных по значимости технологий: X

{

}

Str k { T , A} = ⊗ Str x T x , A x , x =1

91

(2)

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

где Str k { T , A} - структура композиционной технологии, состоящая из множества T элементов (операций) и множества А отношений (связей) на множестве Т;

{

}

Str x T x , A x - структура x-ой технологии, состоящая из множества Tx элементов (операций) и множества A x отношений (связей) на множестве Tx ; X - общее количество (мощность множества) соединяемых технологий в композиционную технологию. Следует заметить, что выполняемое объединение технологий в композиционную технологию образовывает общую новую структуру технологии. В композиционной технологии выполняется предварительный синтез структуры технологии, затем рекуррентный итерационный синтез (рис. 1) и корректирование созданной первоначально структуры технологии на базе принципов и особенностей синтеза следующей технологии, потом последующей технологии и так далее. Здесь используются прямые и обратные связи между этапами проектирования композиционной технологии. При этом создается качественно новая структура технологии, и это не сумма соединяемых технологий – это композиция технологий. Композиционная технология позволяет обеспечивать изделиям качественно новые свойства по нескольким направлениям, число которых зависит от количества вариантов соединяемых технологий. Проектирование композиционной технологии выполняется поэтапно на множестве параметров каждой технологии, которое можно представить в виде оболочек множеств особенностей проектирования технологий, представленных на рис. 2. Общий подход в создании композиционных технологий базируется на многоуровневом проектировании структуры технологии в оболочках X уровней. Здесь оболочки технологий структурируются следующим образом: 1. Оболочка синтеза технологий по виду методов.

2. Оболочка синтеза технологий по классу воздействий.

3. Оболочка синтеза технологий по типу производства. ………………………………………… …………………………………... x. Оболочка синтеза технологий по организационно-технологической форме. ………………………………………… …………………………………...

X. Оболочка синтеза технологий по классу организационно-технологической формы. Следует отметить, что между оболочками действуют итерационно-рекуррентные связи, что позволяет синтезировать и корректировать структуру композиционного технологического процесса. Итерационнорекуррентные связи между отдельными этапами проектирования технологий позволяют, во первых - последовательно выполнять синРис. 1. Схема связей между этапами тез структуры технологического процесса на синтеза композиционных технологий

92

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

базе всех этапов композиционных технологий, во вторых - производить возврат процесса проектирования на предыдущие этапы и корректировать разработанную ранее структуру технологического процесса, и в третьих - при синтезе технологии обходить отдельные этапы проектирования как в прямом, так и в обратном направлениях. Этот подход дает возможность вести композицию, синтезировать и корректировать композиционную технологию. Заметим, что в оболочке первого уровня (рис. 2) выполняется синтез структуры технологического процесса на базе принципов синтеза технологий по виду методов. К этим методам можно отнести следующие: механической обработки, термической обработки, химической обработки, …, комбинированной обработки. Для реализации технологических воздействий могут использоваться различные методы обработки изделий. Однако наиболее перспективно применение комбинированных (гибридных) методов или технологий. Применение этих технологий позволяет обеспечивать заданные, требуемые или предельные свойства изделий машиностроения. При этом комбинированные технологии дают возможность решать вопросы повышения качества изделий за счет структуры технологического процесса. Условно этот процесс можно представить как повышение качества изделия «вширь» - по структуре технологического процесса. В оболочке второго уровня (рис. 2) выполняется синтез и корректирование структуры разработанной ранее технологии на базе принципов синтеза технологий по классу воздействий. К этим технологиям можно отнести традиционные, макро-, микрои нанотехнологии. Здесь необходимо корректировать и дополнять разработанную ранее структуру технологии новыми операциями. Это обусловлено тем, что макро-, микро- и нанотехнологии содержат ряд дополнительных операций. Например, нанотехнологии включают следующие дополнительные операции: обеспечение особых состояний вещества, синтез нового материала, размельчение материала, компактирование материала, сохранение дисперсности материала, управление свойствами материала изделия. С помощью макро-, микро- и нанотехнологий решаются вопросы обеспечения заданных свойств изделий на каждой операции, например, комбинированного метода или с помощью комбинированных методов технологических воздействий, то есть условно можно представить как повышение качества изделия «вглубь». В этом случае дальнейшее повышение качества изделий машиностроения реализовывается более тонко и прецизионно уже на макро-, микро- и наноуровнях. На основании этого, преобразование свойств изделий должны выполняться с помощью макро-, микро- и нанотехнологий. В оболочке третьего уровня (рис. 2) снова выполняется синтез и корректирование структуры синтезированной технологии на базе Рис. 2. Многоуровневый синтез композиционных технологий в принципов, определяющихся тиоболочках X уровней

93

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

пом производства. В этом случае разрабатываемая технология строится на основе принципов технологий единичного, серийного и массового производства. И так далее выполняется построение композиционной технологии в оболочках других уровней. Затем, в оболочке x-го уровня производится синтез и корректирование структуры технологии на базе принципов организационно-технологических форм технологий, а именно: единичных, типовых, групповых или модульных технологий. И так далее строится композиционная технология на следующих уровнях проектирования. Далее, в последней оболочке X-го уровня выполняется синтез и корректирование структуры композиционной технологии на базе принципов определяющихся по классу организационно-технологической формы технологий. Здесь могут быть обычные или функционально-ориентированные технологии. Можно отметить некоторые характеристики оболочек проектирования композиционной технологии: 1-й уровень – фундамент, основа или ядро формирования структуры технологии; x-й уровень - дополнение, уточнение, корректировка структуры на базе принципов рассматриваемой технологии; X-й уровень – управляющая технология на базе функциональноориентированного подхода. Функционально-ориентированные технологии [5] дают возможность вести управление свойствами изделий на различных уровнях функциональных элементов, а также позволяют полностью адаптировать изделия при изготовлении к особенностям их эксплуатации в машине или технологической системе и обеспечить заданный, требуемый или предельный их эксплуатационный потенциал. Это реализуется на базе оболочки функционально-ориентированной технологии. В процессе реализации композиционной технологии повышение свойств и качества изделий обусловлено, прежде всего, тем, что в этих технологиях свойства изделий достигаются сразу по нескольким направлениям на базе принципов композиции. В работе разработана общая классификация композиционных технологий (рис.3) [6]. При этом за счет того, что композиционная технология создается на множестве различных по значимости технологий и обеспечиваются итерационнорекуррентные связи между оболочками процесса проектирования реализуется возможность генерирования множества композиционных технологий, отлиРис. 3. Общая классификация композиционных чающихся друг от друга следуютехнологий щим:

94

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

- количеством соединяемых в композицию различных по значимости технологий; - составом соединяемых в композицию различных по значимости технологий; - структурой технологий в композиции; - особенностями обеспечения свойств изделий. Композиционные технологии обеспечивают возможность изготовления изделий с нетрадиционными свойствами, а именно: - изменяющимися свойствами изделия в пространстве и / или времени; - изменяющимися свойствами изделия по необходимым законам; - появляется возможность обеспечивать свойства на макро-, микро- и наноуровнях; - появляется возможность управления свойствами изделия на базе принципов функционально-ориентированных технологий; - свойствами, изменяющимися в зависимости от заданных, требуемых или предельных свойств изделий. Таким образом, функционально-ориентированные композиционные технологии предназначены для изготовления изделий с нетрадиционными свойствами, а следовательно, могут быть применены для проектирования машин и технологических систем нового поколения. В данной работе приведено описание особенностей синтеза этих технологий на базе принципов композиции. Список литературы: 1. Физико-технологические основы методов обработки / Под ред. А.П. Бабичева. – Ростов н/Д: Феникс, 2006. – 409 с. ISBN 5-222-09330-1. 2. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 416 с. ISBN 978-59221-0582-8. 3. Суслов А.Г. Технология машиностроения: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. – М.: Машиностроение, 2004. – 400 с. ISBN 5-217-03223-5. 4. Базров Б.М. Модульные технологии. – М.: Машиностроение, 2001. – 368 с. ISBN 5-217-03061-5. 5. Михайлов А.Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий. – Донецк: ДонНТУ, 2009. – 346 с. ISBN 966-7907-24-4. 6. Михайлов А.Н., Михайлова Е.А., Михайлов Д.А. Основы синтеза композиционных технологий машиностроения // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні / Вісник Національного університету «Львівська політехніка». № 713 – Львів: НУ «Львівська Політехніка», 2011. С. 23 - 31. ISSN 0321-0499.

УДК 629.78 СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СКАНИРУЮЩЕЙ ПЛАТФОРМЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Каплуновская А.А., Рыбинская Т.А. (каф. СиПУ, каф. Механики ТК ЮФУ, г. Таганрог, Россия) Синергетический подход, изложенный в [1], позволил осуществить своего рода прорыв в области синтеза и проектирования многомерных и взаимосвязанных систем управления широким классом сложных нелинейных динамических объектов различной физической природы. Этот подход нашел конкретное применение в основном для решения проблемы управления нелинейными техническими объектами (роботами, под-

95

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

вижными аппаратами, технологическими агрегатами и т.д.), которые охватывают обширную область конструктивной деятельности человека. Принципиальное отличие синергетического подхода от классических методов науки, на которых основано существующее естественнонаучное и, следовательно, инженерное образование, состоит в выявлении фундаментальной роли свойства самоорганизации в нелинейных динамических системах. Также необходимо подчеркнуть, что в отличие от классического подхода механики, когда инвариантные многообразия отыскиваются, в синергетической теории и методах синтеза они задаются как желаемые и имеют непосредственный физический смысл, связанный с природой исходного нелинейного объекта и требованиями технологической задачи, для решения которой и синтезируется система управления объекта [1]. В настоящей работе показано решение задачи синтеза алгоритмов автоматического управления орбитальным сегментом системы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), обеспечивающий заданное движение сканирующей платформы с целью расширения полосы зондирования, с помощью метода АКАР, изложенного в [1], а также подхода, изложенного в [2]. Синтез системы управления положением сканера. Будем считать, что сканирующее устройство может совершать угловое перемещение в боковом направлении от линии движения космического аппарата. Тогда динамика углового перемещения сканера описывается уравнениями: (t ) = ; (1) J (t ) = M ynp − k mp , где  и  – угол поворота сканера относительно вертикальной оси и его угловая скорость, Mynp – момент управления, kmp - коэффициент трения, J – момент инерции сканера. Поставим задачу синтеза управляющего момента, обеспечивающего гармонические колебания углового положения сканера с заданными амплитудой Amax и частотой 0 . Для решения данной задачи используется подход, изложенный в [2]. Согласно этому подходу при синтезе алгоритмов управления используется математическая модель расширенной системы, состоящая из уравнений самого объекта и уравнений эталонного осциллятора. В качестве модели эталонного осциллятора используются модели известных автоколебательных систем (Пуанкаре, Ван дер Поля, Релея и др.). Суть подхода заключается в следующем: одна из переменных модели эталонного осциллятора рассматривается как эталонная переменная – y (s ) , которая изменяется во времени желаемым образом. В то же время одна из переменных модели объекта – x (c ) является управляемой с точки зрения решаемой задачи – генерации регулярных колебаний. Тогда задача синтеза может быть сформулирована следующим образом: требуется найти закон управления как функцию координат состояния расширенной системы, обеспечивающий асимптотическое схождение управляемой и эталонной переменных: x ( c ) → y ( s ) [2]. В качестве модели эталонного осциллятора используется известная система Пуанкаре: 2 y1 (t ) = ( Amax − y12 − y 22 ) y1 + 0 y 2 , (2) 2 y 2 (t ) = ( Amax − y12 − y 22 ) y 2 − 0 y1.

96

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таким образом, модель синтеза будет содержать уравнения (1) и (2). Переменные и параметры (2) можно рассматривать как «внутренние» переменные и параметры замкнутой системы. Введем притягивающее инвариантное многообразие (3)  1 =  − b( − y1 ) = 0. Оно приводит к динамической декомпозиции расширенной системы: (t ) = b( − y1 ); 2 y1 (t ) = ( Amax − y12 − y 22 ) y1 +  0 y 2 , 2 y 2 (t ) = ( Amax − y12 − y 22 ) y 2 −  0 y1. Очевидно, что при b<0 управляемая переменная  будет асимптотически стремиться к эталонной переменной y1, которая в свою очередь колеблется с амплитудой Amax и угловой частотой 0 . Искомый закон управления является решением функционального уравнения T11 (t ) + 1 = 0 в силу уравнений модели (1) и (2), имеет следующий вид: J 2 (4) M ynp = k mp + Jb( − ( Amax − y12 − y 22 ) y1 − 0 y 2 ) − ( − b( − y1 )).

T1 Результаты компьютерного моделирования замкнутой системы (1), (2), (4), представленные на рис. 1–3, показывают, что задача генерации заданных колебаний сканера выполняется. Представленные в докладе результаты демонстрируют эффективность применения методов синергетической теории управления для синтеза автоматических регуляторов, позволяющих улучшить качество систем ДЗЗ, также следует отметить, что обзор литературы показал, что организация динамического движения сканера является весьма перспективной.

Рис. 1. Изменение углового положения сканера во времени

Рис. 2. Изменение угловой скорости сканера во времени

97

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис.3. Изменение управляющего момента во времени Список литературы: 1. Колесников А.А. Синергетическая теория управления– М.: Энергоатомиздат, 1994. 2. Попов А.Н. Синергетический синтез регуляторов для задач генерации колебательных режимов в технических системах/ Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Комплексная безопасность сложных систем». – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012. – № 4 (129). –С. 156–162. 3. Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. – М.: Издательство А и Б, 1997. 4. Мозговой Д.К. Управление ориентацией КА ДЗЗ высокой разрешающей способности. – М.: Вестник Днепропетровского университета, серия «Ракетнокосмическая техника», 2009. № 4. Вып. 13, том 1.

УДК 621. 923 СПОСОБ СБОРКИ ГЛАДКИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ С ЗАЗОРОМ Кульбида О.О., Ищенко А.Л., Феник Л.Н., Понамарёва Е.А. (Донецкий национальный технический университет, Украина) Тел./Факс: +38(062) 3010804; E-mail: olga_kulbida@mail.ru Аннотация. В статье приведены результаты исследования возможности сборки гладких цилиндрических соединений с использованием вибраций, приложенных вдоль оси сборки. Предложенный способ отличается отсутствием принудительной ориентации собираемой детали, приложением колебаний только к базовой детали, отсутствием силового досылания детали в соединение, возможностью сборки деталей с различными по форме заходными частями. Ключевые слова: соединение, сборка, вибрация, эксперимент, способ, зазор.

1. Введение Современный уровень развития машиностроения предполагает уменьшение количества ручного труда и увеличение количества автоматизированных производственных процессов. На сегодняшний день процессы механической обработки автоматизированы достаточно широко, процессы сборки в силу сложности реализации и многономенклатурности соединений слабо охвачены этом процессом. Механизация в сборке

98

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

составляет 40%, а автоматизация всего 5...6%. Это остро ставит задачу создания автоматических сборочных систем обладающих достаточной гибкостью при переходе на другую номенклатуру собираемых изделий и обладающих высокой производительностью для уменьшения себестоимости изделия. Поэтому представляет интерес обеспечение возможности использования одного оборудования для деталей с различной геометрией собираемых соединений. Предложенный проф. Бозровым Б.М. модульный принцип [1] дает возможность удобного математического описания сочетания поверхностей. После проведенного анализа [2, 3] можно сделать вывод о возможности сборки разных по типу и геометрии модулей соединений на одном оборудовании при использовании выделенных в процессе анализа идентичных схем. Это дает возможность объединять разнородные изделия в группы, переходить к большей серийности выпуска и использовать для сборки автоматическое оборудование, работающее по идентичным кинематическим схемам. Целью исследования является предложение способа сборки различных модулей соединений по одной кинематической схеме, которую можно реализовать в одном сборочном автомате. В соответствии с целью можно поставить следующие задачи: предложить способ сборки, который позволит собирать различные по типу и геометрии модули, имеющие идентичные кинематические схемы сборки; проверить экспериментально возможность реализации предложенного способа.

2. Основное содержание работы. Анализ существующих схем сборки [4] показал, что распространенным и достаточно универсальным способом является сборка с использованием вибраций. Наиболее распространенной схемой является схема с приложением вибраций поперек оси сборки к базовой и к собираемой деталям, с использованием средств адаптации и принудительным досыланием собираемой детали в соединение. Подобные схемы без сомнения обладают рядом преимуществ – возможность сборки при значительных углах перекоса осей деталей в начальном положении, сборка соединений с различной величиной зазора, сборка профильных соединений и др. Недостатками рассмотренных способов являются необходимость обеспечения принудительного движения автопоиска собираемой детали, приложения вибраций к обеим деталям, использование устройств адаптации и силового досылания собираемой детали. По результатам анализа существующих схем сборки и рассмотренных ранее кинематических схемам была предложена схема сборки – к базовой детали прикладывают вибрации вдоль оси сборки, принудительного движения автопоиска у собираемой детали нет, совмещение осей деталей происходит за счет самоустанавливания детали под действием вибраций. Для подтверждения возможности реализации предложенной схемы были проведены экспериментальные исследования. Целью проведения эксперимента являлось определение возможности и времени сборки деталей типа вал-втулка при различной геометрии заходной части конца вала под воздействием колебаний, передаваемых базовой детали вдоль оси сборки Для реализации процесса сборки была сконструирована и изготовлена экспериментальная установка. Принцип действия установки отображен на рис. 1: сборка происходит под действием вибраций, которые прикладываются толкателем 6 к упругому элементу – столу малой толщины 1, на котором зафиксирована от сдвигов на опоре 2 базовая деталь «втулка» 4. Через жестко закрепленную направляющую втулку 3 в зону сборки подается собираемая деталь «ось» 5.

99

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 1. Принцип действия экспериРис. 2. зона сборки эксперименментальной установки тальной установки В изготовленной установке описанный принцип сборки реализовывался за счет того, что базовая деталь «втулка» устанавливалась на стол малой толщины, который выполнял функцию упругого элемента, стол фиксировался на направляющих без дополнительной ориентации относительно горизонтали. Вибрации прикладывались к столу толкателем, который соединен с двигателем постоянного тока. Частота ударов по результатам предварительных исследований была принята 24 Гц. В качестве факторов при проведении исследований были выбраны геометрия заходной части концов вала и отверстия втулки. В качестве ограничения выбран зазор в соединении. Приняты следующие варианты: - собирались соединения Ø10Н9/f9, Ø10 Н9/d9, Ø10 Н9/e9; - втулка имела следующий размер заходных фасок: 1,6х45°, 1,6х30°; - вал имел следующую геометрию заходной части концов вала: фаска 1,6х45°, галтель R1,6, фаска 1,6х30°, без заходной части В результате проведения эксперимента получены результаты, представленные на рис. 3а и рис. 3б. Наблюдаемый процесс сборки являлся сложным и включал в себя два этапа: 1) этап ориентации, когда собираемая деталь «вал» совершает движения автопоиска относительно отверстия в базовой детали «втулка» до совмещения осей; 2) этап совмещения деталей. При проведении эксперимента во время первого этапа наблюдались явления подбрасывания вала на торце втулки при форме конца вала «без заходной части» и «заходная часть - фаска» и явления качения конца вала по торцу втулки при форме конца вала «заходная часть - галтель», после этого скольжение вала по фаске отверстия втулки. Во время второго этапа происходило падение вала вдоль оси отверстия втулки, время которого изменялась в зависимости от зазора в соединении. В общем, движения при сборке по данной схеме отвечают следующей последовательности: - после удара обе детали подбрасывает на столе, во время движения ось доворачивается, принимая вертикальное положение, после приземления она проскальзывает

100

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

8 7 6 5

мм

смещение вдоль горизонтальной оси,

по наклонной поверхности торца втулки. Проскальзывание длится до следующего удара толкателя, после этого цикл движений повторяется.

- после достижения осью заходной фаски втулки, ось скользит по ней и после попадания в отверстие падает под действием собственного веса вдоль отверстия вниз на глубину, равную разности глубины отверстия и высоты фиксирующей опоры.

4

Ряд1

3 2 1 0 1,

12

1,

12

1,

77

2 2,

53

2 2,

67

6

2,

78

3,

82

5,

49

врем я сборки, с

6

оси сборки, град

угол наклона оси вала относительно

а)

5 4 3

Ряд1

2 1 0 1,

12

1,

12

1,

77

2 2,

53

2 2,

67

6

2,

78

3,

82

5,

49

врем я сборки, с

б) Рис. 3. Экспериментальные данные 3. Анализ полученных результатов дает следующие выводы: 1. При отрицательном значении угла  наклона оси вала относительно оси сборки время сборки имеет наименьшие значения.

2. При положительном значении угла  близком к нулю, в процессе сборки происходит быстрая ориентация оси вала относительно вертикали, угол приобретает значение  = 0 и процесс сборки либо не происходит, либо затягивается.

3. Большее значение имеет величина заходной фаски втулки, чем геометрия конца вала. При величине заходной фаски 1,6х45° сборка происходит быстрее.

4. Не прослеживается зависимость между временем сборки и величиной смещения оси вала вдоль горизонтальной оси или изменением угла наклона оси вала относительно оси сборки (при положительных значениях  ). Это говорит о том, что нет необходимости в точной ориентации оси вала относительно оси сборки, что позволяет исключить переход по ориентации вала из технологической операции сборки, сократив таким образом операционное время сборки и дает возможность упростить сборочное оборудование.

5. Способ сборки защищен патентом на полезную модель [5].

101

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Список литературы: 1. Базров Б.М. Технология сборки машин: учеб. Пособие /Б.М. Базров, О.В. Таратынов, В.В. Клеприков // под общей ред. Б.М. Базрова. – м.: Издательский дом «Спектр», 2011. – 368 с. 2. Использование модульного принципа при моделировании движений в процессе сборки в автоматическом сборочном роторе / О.О.Кульбида, А.Л.Ищенко, Л.Н.Феник, Е.А. Понамарева // Прогресивні технології і системи машинобудування: Міжнародний зб. наукових праць. – Донецьк: ДонНТУ, 2012. Вип. 43. – 180-187 с. 3. Кульбида О.О.Анализ кинематических схем сборки на основе модульного принципа. / О.О. Кульбида, Ю.В. Святная / Известия ТТИ ЮФУ – ДонНТУ. Материалы одиннадцатого Международного научно-практического семинара «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы». В 3-х кн. – Таганрог. Изд-во ТТИ ЮФУ. Кн. 3. 2010. № 10. – 193-196 с. 4. Автоматическая загрузка технологических машин: Справочник / И.С. Бляхеров, Г.М. Варьяш, А.А. Иванов и др.; Под общ. Ред. И.А. Клусова. – М.: Маштностроение, 1990. – 400 с. 5. Патент на корисну модель № UA (11) 79689 U. Спосіб складання деталей типу вал-втулка / Кульбида О.О., Фенік Л.М., Іщенко О.Л., Михайлов О.М.; заявитель и патентообладатель: Державний вищий навчальний заклад "ДонНТУ ". – опубл. 25.04.2013. Бюл. № 8.

УДК 621.9.025 ТЕХНОЛОГИЧЕСКОE ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС НА БАЗЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПОДХОДА Лахин А.М., Тархов Н.С. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Аннотация. В работе рассмотрены особенности применения функциональноориентированного подхода при производстве зубчатых колес. Предложены варианты обеспечения переменных свойств рабочего профиля зубьев в зависимости от характера действия эксплуатационных функций. Ключевые слова: зубчатые колеса, функционально-ориентированный подход, зоны исполнительных рабочих элементов колес, функциональное назначение. Зубчатые передачи получили наибольшее применение из всех видов силовых передач что обусловлено их основными преимуществами над остальными видами передач, среди которых: высокая надежность и долговечность, возможность передачи наиболее высоких крутящих моментов и скоростей при малых габаритах. Вместе с тем данные преимущества достигаются высокими требованиями к точности, шероховатости поверхности и физико-механическим свойствам материала зубчатых колес, что обуславливает довольно высокую трудоемкость изготовления и применение дорогих материалов заготовок. Анализ причин выхода из строя и снижения эксплуатационных функций зубчатых передач, позволил заметить, данный процесс происходит вследствие износа некоторой незначительной части элементов зубчатых колес, тогда как на остальных - износ незначителен или отсутствует вовсе. Немаловажным фактором также является неравномерный характер износа быстро изнашиваемых поверхностей, что вызвано различным характером действия элементов сопряженной детали при постоянных свойствах изнашиваемого участка. Поэтому одной из задач современного машиностроения при производстве зубчатых колес, обеспечить свойства различных элементов согласно ус-

102

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ловиям эксплуатации для наиболее полного использования ресурса изделия с зубчатой передачей. Одним из направлений позволяющих решить данные задачи, являются функционально-ориентированные технологии [1], целью которых является обеспечение свойств элементов изделия соответствующих условиям их эксплуатации в машине или технологической системе. Зубчатые колеса представляют собой совокупность исполнительных, связующих, вспомогательных и дополнительных элементов [2]. Каждая группа элементов состоит частей и составляющих, для которых характерны особые функции в процессе эксплуатации. Вместе какждое изделии можн разделить по уровням глубины технологии [1]. Составляющая каждой части исполнительных рабочих элементов разделяется по зонам, представлющих собой элементарные геометрические элементы (точки, линии, поверхности, поврехностные слои и объемные зоны). При этом данное деление для отдельного зуба переключаемого колеса можно представить схемой. (рис. 2)

Рис. 1. Зоны исполнительных рабочих элементов зубчатых колес Нарушению безотказной и плавной работы зубчатой передачи могут способствовать следующие признаки, вызывающие разрушение рабочих элементов: концентрация контактных напряжений в поверхностном слое зуба, вызывающих усталостный износ и выкрашивание с поверхностей зубьев; трение скольжения с сопряженным зубом, вызывающее механический износ сопряженной пары зубьев; действие напряжений изгиба в объемной зоне у основания зуба, , вызывающие пластическую деформацию или поломку отдельных зубьев; кромочный контакт, возникающий в результате контакта объемных линий вершинных и боковых кромок с рабочим профилем зуба и приводит к износу и деформации самих кромок, так же концентрации контактных напряжений рабочего профиля (рис. 2). Рис. 2. Условия работы зубчаОбеспечение функций требуемых по условитой передачи ям эксплуатации, возможно реализацией свойств: непрерывных, прерывистых и единовременных а также их комбинаций в различных направлениях (рис. 3).

103

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Действие эксплуатационных функций в поверхностном слое зуба, вызванное действием взаимного скольжения профилей, представлены на рис. 4, а. Условия эксплуатации предполагают изменение скорости взаимного скольжения профилей по высоте зуба от головки зуба к полюсу зацепления, и от полюса зацепления к ножке зуба. При этом максимальное скольжение и, как следствие максимальный износ при однородных свойствах материала зубчатого колеса, возникает на ножке зуба, а в полюсе зацепления он равен 0. Основной технологической задачей при этом является обеспечение свойств участков поверхностного слоя зубчатого профиля в зависимости от условий эксплуатации, что может быть достигнуто при изменении свойств сопрягаемых поверхностей в соответствие со скоростью взаимного скольжения.

Рис.3. Схемы реализации технологических воздействий поверхностного слоя зубчатых колес для обеспечения свойств: а) – прерывистых в двух направлениях; б) – непрерывных в двух направлениях; в) – единовременных в двух направлениях; г) – непрерывно-прерывистых; д) – единовременно-прерывистых; е) –единовременнонепрерывных

а) б) Рис. 4. Характер действия скорости взаимного скольжение в контакте зубьев (а), варианты реализации переменных свойств по высоте зуба (б)

104

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Возможным вариантом является уменьшение коэффициента трения и износостойкости поверхностного слоя в соответствии с графиком скорости взаимного скольжения. При этом возможны следующие варианты технологических воздействий обеспечивающих заданной изменение свойств материала (рис.4, б) : - термическая обработка на переменную глубину по высоте зуба за счет изменения скорости прогрева и охлаждения в отдельных участков профиля зуба; - обкатка рабочих поверхностей зубьев с различным усилием обката; - нанесение покрытий с переменной толщины и с изменяющимися свойствами по высоте зуба. Таким образом, в работе выполнена классификация и анализ элементов зубчатых колес по функциональному назначению. Рассмотрены основные причины снижения эксплуатационных характеристик зубчатых колес, на основании которых возможно определение структуры технологических воздействий для каждого элемента. Разработаны схемы технологического воздействия, а также варианты реализации различных по структуре свойств. Для возможности реализации переменных свойств по рабочему профилю зуба в зависимости от скорости взаимного скольжения, предложены варианты технологических воздействий. Использование функционально-ориентированного подхода в производстве зубчатых колес, позволяет решать комплексные задачи повышения качества зубчатых колес, а также способствуют повышению эффективности из изготовления. Список литературы: 1. Михайлов А.Н. Основы синтеза функциональноориентированных технологий машиностроения. – Донецк: ДонНТУ, 2009. - 346 с. 2. Лахин А.М., Михайлов А.Н., Зантур Сахби, Тарафа Аль-Судани Синтез схем технологического воздействия для функционально-ориентированных технологических процессов производства зубчатых колес // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2009. Вып. 38. С.

127-132. 3. Кудрявцев В.Н. Зубчатые передачи. - М.: «Машгис», 1957. – 263 с.

УДК 631.363.21 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НОЖА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗЁРЕН СОИ НА ЭНЕРГОЁМКОСТЬ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ Лимаренко Н.В. (ДГТУ, г.Ростов–на–Дону, Россия) Аннотация. Проведены эксперименты по определению факторов действующих на энергоёмкость процесса резания соевых бобов, а именно влияние угла заточки лезвия ножа и температуры окружающей среды в которой проводились исследования в условиях безударного (статического) резания, для выявления наиболее оптимальных параметров рабочего органа (ножа) и технологических свойств измельчаемого материала (соевые бобы), в ходе проведения экспериментов условиях ударного (динамического) резания. Ключевые слова: угол заточки, соевые бобы, технологические свойства, энергоёмкость процесса резания. В настоящее время одной из проблем в области питания у нас в стране и за рубежом является дефицит белка, обусловленный недостатком таких белоксодержащих продуктов как молоко, мясо, рыба и т.п. Чтобы восполнить недостаток этих продуктов

105

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

в качестве дополнительного источника белка используют комбинированные продукты в виде сочетания животных и растительных белков. Из растительных белков применяемых в производстве комбинированных продуктов, широкое распространение получили белки сои. Это объясняется следующими факторами: 1. соя произрастает во многих регионах не только России, но и мира; 2. с одного гектара посевной площади можно получать до 700 кг. белка; 3. семена сои содержат 40% белка и 20% липидов, что обеспечивает целесoобразность промышленной переработки сои. Кроме того, соя имеет достаточно большую биологическую и пищевую ценность, подкреплённую большим историческим опытом использования сои и продуктов её переработки (мука, крупа, молоко и т.д.) в питании. Соевые продукты нашли широкое применение во многих отраслях промышленности, они используются в качестве кормов в сельском хозяйстве, в качестве ингредиентов в косметической (кремы и прочие средства), легкой (ткани), фармацевтической (лекарства) и химической отраслях, в качестве сырья и добавок в пищевой промышленности, особенно следует отметить мясоперерабатывающую, молочную и масложировую отрасли. Сегодня на потребительском рынке можно встретить такие молочные соевые продукты, как соевое молоко, тофу (соевый творог), сухое соевое молоко, соевое масло, соевые орешки, соевый майонез и соусы, соевые кефир и йогурт, окара, а также гуляш, фарш, шницель и азу из бобов сои и это далеко не полный список продуктов изготавливаемых с использованием сои. Технология производства продуктов из сои предусматривает её измельчение на фракции различного размера. Существуют различные способы измельчения такие как: сжатие, сдвиг, истирание, удар, скалывание и резание. Следует отметить, что разница между последними двумя понятиями скалывания и резания является довольно условной и наблюдается лишь в кинематическом режиме и в размере полученных частиц. Измельчение зерна резанием позволяет получить более крупные фракции зерна, что является принципиальным требованием для ведения некоторых технологических процессов, в качестве примера можно привести процесс производства соевого молока. Как любой процесс измельчения, резание является одним из наиболее энергоёмких производственных процессов. Энергоёмкость процесса зависит не только от физико-механических характеристик измельчаемого продукта, таких как размеры зёрен, их влажность и температура, но и от конструкции рабочего органа и скорости его перемещения. С целью изучения этих факторов в Донском государственном техническом университете, на кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» были проведены исследования по определению величины усилия разрушения бобов сои в зависимости от угла заточки лезвия рабочего органа при изменяющейся влажности и температуре. Эксперименты проводились для сои марки «Вилана» при технологической влажности Wз = 12,5 % (где Wз обозначает влажность) в температурном диапазоне от – 10 ˚С до + 30 ˚С, на специально сконструированной для этой цели экспериментальной установке, представленной на рисунке 1, в ходе проведения опытов была применена методика планирования многофакторного эксперимента, где в качестве отклика было принято усилие разрушения, а в качестве варьируемых факторов угол заточки ножа (с остриём заточки 0,25 – 0,30 мм), влажность зерна (для достоверного представления мо-

106

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

дели варьирование верхнего и нижнего уровней данного фактора было принято в 1,5 %) и его температура. Принцип действия установки заключается в следующем: привод осуществляется вручную от рукоятки с винтом 1, в следствии чего производится перемещение рабочего органа (лезвия) до момента контакта с зерном, момент контакта рабочего органа с зер ном фиксируется небольшим отклонением стрелки на верхнем индикаторе часового типа (перемещение), после чего оба индикатора выставляются в нулевое положение. Далее производится дальнейшее перемещение рабочего органа с одновременным снятием показаний с нижнего (усилие) и верхнего (перемещение) индикаторов, вплоть до разрушения зерна. Рис. 1. Экспериментальная установка и схе- Момент разрушения фиксируется по сбросу показаний на нижнем ма нагружения зерна сои индикаторе. Подготовка прибора 1 – Рукоятка с винтом; 2 – Ступица с крепёжными элементами; 3 – Стани- к работе заключается в выставлении по высоте индикатора 5 (в на; зависимости от максимального 4 – Рабочий орган (лезвие); 5 – Верхний индикатор часового типа для снятия размера исследуемого объекта) и показаний величины перемещения (ИЧ-10; цена индикатора 8 (в ненагруженном состоянии его показания должны деления 0,01мм; предел измерения 0-10мм); быть равны 2 – 3 делениям шка6 – Предметный столик; 7 – Тензопластина; 8 – Нижний индикатор часово- лы, которые потом корректируго типа для снятия показаний величины усилия ются путём установки на ноль). Необходимо отметить, что данразрушения (ИЧ-10) ная установка обеспечивает проведение исследований в условиях безударного резания. Основной целью проведения эксперимента в условиях безударного резания является выявления важности влияния угла заточки ножа на энергоёмкость процесса. Ниже на графике рисунка 2 представлены характеристики F(t˚)/W = const, при технологической влажности W = 12,5% и изменении t˚ в диапазоне от – 10˚С до + 30 ˚С, а в таблице 1 представлены значения величины усилия разрушения всех экспериментальных температур. Таблица 1. Результаты экспериментов по определению величины усилия разрушения сои при различных углах заточки ножа и различных температурах αº Усилие разрушения, Н t,0C -10 0 10 20

15˚ 6,5 8,0 10,0 9,0

30˚ 9,0 10,0 14 10,0

45˚ 11,5 13,0 15,5 12,5

107

90˚ 13,0 15,0 17,0 13,0

120˚ 14,0 16,0 20,0 14,0

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

30 8 9,5 11 * α º - угол заточки лезвия режущего инструмента (ножа).

12,5

13,8

Как видно из графика представленного на рисунке 2, то наименьшие величины усилия разрушения наблюдаются в диапазоне температур от -10˚С до 0˚С, далее с уве личение температуры увеличивается и усилие разрушения, максимальные значения наблюдаются при температуре +10˚С, далее с увеличением температуры наблюдается снижение величины разрушающего усилия. Очевидно, что такое поведение соевых бобов можно объяснить их внутренним строением и физикомеханическими свойствами. Однако объяснение поведеРис. 2. Зависимость усилия разрушения от температуния бобов в каких либо темры в условиях безударного (статического) резания пературных диапазонах не является нашей задачей, целью данного эксперимента было выявить диапазон температур при которых процесс резания является наименее энергоёмким. Далее рассмотрим влияние угла заточки лезвия ножа на энергоёмкость процесса резания, как видно из рисунка 2, усилие разрушения увеличивается пропорционально увеличению угла заточки. Из эксперимента следует, что наименьшая энергоёмкость процесса резания наблюдается при угле заточки ножа 15˚. Из графика видно, что все зависимости полученные экспериментально линейны, т.е. могут считаться единообразными, поскольку эксперимент проводился в условиях безударного резания зерна, то его целью являлось выявление степени важности факторов при ударном процессе резания соевых бобов, что было и реализовано в ходе исследования. Выводы: – наиболее оптимальным температурным диапазоном ведения процессе резания соевых бобов, в ходе эксперимента был выявлен диапазон от +18˚С до 25˚С, т.е. средние комнатные условия, далее же при повышении или понижении значений указанного диапазона высока вероятность нарушения внутреннего строения зерна, поскольку оно является живым биологически активным организмом; – влияние угла заточки режущего ножа на энергоёмкость ведения процесса резания в условиях безударного процесса указывает на использование ножа с углом заточки 15 ˚, далее с увеличением угла заточки возрастает и усилие разрушения. Выявление влияния действия этих факторов на энергоёмкость ведения процесса ударного (динамического) резания, является задачей дальнейших исследований. Список литературы: 1. Н.В. Лимаренко, А.В. Абрамов «Исследование величины разрушающегося усилия зёрен сои от угла заточки лезвия инструмента и температуры при постоянной влажности» //Инновационные технологии и технические средства для АПК юга России: сб. науч. тр. конф. молодых учёных, посвящ. 80-летию кафедры «СХМ и О» в составе РИСХМ). Ростов н/Д: ДГТУ, 2013. 182 с.; 2. Н.В. Лимаренко,

108

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

А.В. Абрамов «Исследование величины разрушающего усилия сои в зависимости от геометрии рабочего органа, температуры и влажности» // Материалы 6-й Межд. науч.практ. конф. «Интерагромаш-2013». Ростов н/Д: ДГТУ, 2013. С. 104–106; 3. Бегеулов М.Ш. Основы переработки семян сои/ М.Ш. Бегеулов. – М.: ДеЛи принт, 2006. – 181 с. УДК 621.793.7 К ВОПРОСУ НАПЫЛЕНИЯ НИТРИД ТИТАНОВЫХ ПОКРЫТИЙ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Михайлов Д.А., Криволапов А.И. (Кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Аннотация. Работа посвящена изучению возможности повышения производительности и снижения себестоимости напыления вакуумных ионно-плазменных покрытий на лопатки ГТД за счет дальнейшего повышения их концентрации в вакуумной камере путем реализации специальной структуры рабочих позиций технологической оснастки, выполнения необходимых пространственных связей между ее элементами и обеспечения требуемой кинематики движений ее элементов из условия обеспечения равномерности толщины покрытия на поверхностях лопатки. Ключевые слова: лопатки газотурбинных двигателей, концентрация рабочих позиций, объём вакуумной камеры, структура рабочих позиций. Наиболее нагруженными деталями газотурбинных двигателей (ГТД), определяющими их ресурс, являются лопатки [1]. Элементы лопаток в процессе их эксплуатации испытывают напряжения растяжения и изгиба от центробежных сил, напряжения изгиба и кручения от газового потока, переменные напряжения от вибрационных нагрузок, частота и амплитуда которых изменяются в широких пределах, а также тепловые напряжения от тепловых нагрузок. Температура на лопатках первой ступени турбины может достигать 1200 ОС [2]. При этом цикличность знакопеременных напряжений приводит к разрушению лопаток вследствие термической усталости из-за возникающих микротрещин и изменения свойств материала. А также можно отметить, что лопатки ГТД работают в условиях агрессивной газовой среды при высокой температуре, что в ряде случаев приводит к возникновению газовой коррозии. При том наличие влажности и пыли в воздушном потоке оказывают химико-абразивное изнашивание элементов лопаток, а именно поверхностей, входных и выходных кромок пера. Особенно значительное изнашивание элементов пера лопаток проявляется у ГТД вертолетов, например ТВ3-117, эксплуатирующихся в пустынях с песчаными бурями, в местностях, с пылевыми и соляными составляющими в воздушных потоках, образующихся из-за эрозии почвы, вблизи действующих вулканов с выбросами пепла и тому подобными особенностями. Это приводит к снижению долговечности лопаток и ГТД в целом. Для повышения долговечности лопаток ГТД применяются различные технологические методы и способы увеличения их эксплуатационных свойств [3, 4, 5]. В частности для снижения износа элементов пера лопаток применяют вакуумное ионноплазменное (электродуговое) напыление специальных композиционных покрытий, образованных на основе нитрид титана, нитрид цирконий титана и других соединений. Вместе с тем, применение этих видов напыления требует решения вопросов повышения технико-экономических показателей. Прежде всего, повышения производительности и снижения себестоимости напыления вакуумных ионно-плазменных покрытий. На прак-

109

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

тике эти вопросы решаются за счет повышения концентрации рабочих позиций в вакуумной камере. Однако в этом случае сразу возникает целый ряд вопросов. Прежде всего, сколько лопаток можно располагать в вакуумной камере? Какая структура рабочих позиций будет наиболее рациональной для тех или иных видов лопаток? Какие пространственные связи в расположении лопаток необходимо реализовать? А также, какую кинематику движений элементов приспособления необходимо обеспечить, чтобы уменьшить влияние теневых зон на качество напыляемого покрытия. На эти и другие вопросы в данной статье сделана попытка дать ответы. Целью данной работы является повышение производительности и снижение себестоимости напыления вакуумных ионно-плазменных покрытий на лопатки ГТД за счет дальнейшего повышения их концентрации в вакуумной камере путем реализации специальной структуры рабочих позиций технологической оснастки, выполнения необходимых пространственных связей между ее элементами и обеспечения требуемой кинематики движений ее элементов из условия обеспечения равномерности толщины покрытия на поверхностях лопатки. В соответствии с поставленной целью, в данной работе определены следующие задачи исследований: определить необходимые варианты концентрации изделий в вакуумной камере ионно-плазменной установки; предложить возможные виды структур расположения рабочих позиций вакуумной камеры; исследовать виды пространственных связей расположения рабочих позиций в вакуумной камере; выполнить анализ кинематики движений лопаток в вакуумной камере; разработать общие принципы проектирования технологической оснастки из условия обеспечения равномерности толщины покрытия на поверхностях лопаток. Эти задачи решаются в данной работе. Главной задачей синтеза технологического обеспечения вакуумной камеры является определение необходимой концентрации рабочих позиций вращающейся оснастки или мощности множества рабочих позиций вакуумной камеры. При этом концентрация рабочих позиций или мощности множества рабочих позиций вакуумной камеры или общая плотность изделий вакуумной камеры определяется по следующей формуле: V (1) v = ПЦТ Ц = , V0 где v - мощность множества рабочих позиций вакуумной камеры; П Ц - цикловая производительность напыления покрытий на лопатки; Т Ц - полный технологический цикл напыления покрытий на лопатки ГТД; V - общий объем вакуумной камеры; V0 - удельный объем вакуумной камеры для расположения одной рабочей позиции (лопатки). Можно отметить, что при проектировании вакуумной камеры процесс определения мощности множества рабочих позиций зависит от необходимой цикловой производительности П Ц установки. Время полного технологического цикла Т Ц напыления покрытия на лопатки ГТД обычно задается предварительно. Задаваясь конкретными параметрами цикловой производительности П Ц и вре-

менем полного технологического цикла Т Ц в выражении (1) можно определить необходимое количество напыляемых лопаток v в соответствии с заданными начальными условиями. Когда необходимо определить объём вакуумной камеры можно воспользоваться следующим выражением

110

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

V = П Ц Т Ц V0 . В случае, когда необходимо вести процесс дальнейшего повышения производительности установки, с заданным объемом вакуумной камеры, можно воспользоваться следующими условиями: v → max ,   V0 → min . Процесс определения множества рабочих позиций вакуумной камеры имеет следующие ограничения: - возникновением эффекта «теневые зоны», этот эффект действует в случае особенностей пространственного расположения лопаток относительно друг друга и в случае особенностей кинематического движения лопатки относительно катодов установки; - наличием предельной удельной плотности лопаток в вакуумной камере, которая определяется по следующей формуле P = 1 v ; - особенностями структуры технологического обеспечения, пространственных связей между элементами структуры и кинематики движений лопаток в вакуумной камере. Когда определена мощность множества рабочих позиций вакуумной камеры (концентрация рабочих позиций) составляется их структура. Структура рабочих позиций характеризует внутреннюю организацию, порядок и построение технологической оснастки и представляет собой совокупность элементов и отношений между ними. Структура рабочих позиций технологической оснастки вакуумной камеры представляет собой совокупность упорядоченных множеств y и a , которую представляРис. 1. Особенности формирования ем следующим образом: структуры рабочих позиций технологической Str = {y, a}, оснастки вакуумной камеры ионно-плазменной установки где Str - рабочих позиций технологической оснастки вакуумной камеры; y - множество рабочих позиций технологической оснастки вакуумной камеры; a - множество отношений на множестве y . Здесь множества y и a имеют вид: y = {y1 , y 2 ,..., y v },

где y -  -й элемент множества y ;

{

}

a = a1 , a 2 ,..., avi ,

111

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

где a -  -е отношение между элементами множества y . Однако для реализации структуры рабочих позиций технологической оснастки вакуумной камеры необходимо определить параметры множеств y и a . Процесс формирования структуры рабочих позиций технологической оснастки вакуумной камеры ионно-плазменной установки (рис. 1) основывается на следующем. Сначала формируется элементарная структура 1-го класса, затем из этих элементарных структур составляется структура 2-го класса, потом – структура 3-го класса, и так далее до создания структуры р-го класса. В этом случае, мощность множества рабочих позиций будет определяться на основании следующего выражения: p

v = ∏ vk , k =1

где vik - мощность множества элементов подсистемы k-го класса; р – количество классов подсистем на множестве рабочих позиций ионно-плазменной установки. Для представленной структуры (рис. 1), цикловая производительность вакуумной ионно-плазменной установки определяется по следующей формуле p

ПЦ =

∏v

k

k =1

.

TЦ Структурная модель рабочих позиций оснастки вакуумной камеры по классам подсистем может быть представлена следующим образом: Str = {Str1 , Str2 , ..., StrP }, где Strk - структура подсистем k-го класса технологической оснастки вакуумной камеры установки. Общую структурную модель состава рабочих позиций можно представить следующим выражением vP

v2 v1

Str =     y . Таким образом, разработанные в этой работе основы проектирования технологической оснастки вакуумных ионно-плазменных установок позволяют создавать высокопроизводительное оборудование и снизить себестоимость напыления покрытий на лопатки ГТД за счет концентрации рабочих позиций. Список литературы:1. Демин Ф.И., Проничев Н.Д., Шитарев И.Л. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей. Учеб. пособие. – М.: Машиностроение, 2002. – 328 с. ISBN 5-217-03119-0. 2. Полетаев В.А. Технология автоматизированного производства лопаток газотурбинных двигателей. – М.: Машиностроение, 2006. – 256 с. ISBN 5-217-03340-1. 3. Богуслаев В.А., Качан А.Я., Долматов А.И., Мозговой В.Ф., Кореневский Е.Я. Технология производства авиационных двигателей. Ч. 1. Основы технологии. - Запорожье: ОАО «Мотор Сич», 2007. – 518 с. ISBN 966-872. 4. Богуслаев В.А., Яценко В.К., Жеманюк П.Д., Пухальская Г.В., Павленко Д.В., Бень В.П. Отделочно-упрочняющая обработка деталей ГТД. - Запорожье: ОАО «Мотор Сич», 2005. – 559 с. ISBN 966-7108-91-0. 5. Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С. Химикотермическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. – М.: Интермет Инжиниринг, 2001. – 622 с. ISBN 5-89594-066-8.

112

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.3:616 ВОССТАНОВЛЕНИЕ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО СЕРЕБРА БОРГИДРИДОМ НАТРИЯ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ Пугачёв А.Д. (ДГТУ, г.Ростов-на-Дону, Россия) Аннотация. Предложена и исследована экспериментальная методика получения наночастиц серебра в реакциях с боргидридом. Изучено влияние растворителей на кинетику образования и физико-химические свойства получаемых золей. Найдены некоторые сочетания факторов и условий, обеспечивающие достаточно узкое распределение частиц по размеру. Создан научный задел для синтеза металлоорганических комплексов, в состав которых входят НЧ серебра и молекулы спиропиранов. Намечены перспективные направления предметных исследований. Для получения золей серебра с узким и воспроизводимым распределением по размерам частиц в нанодиапазоне необходимо проведение специальных исследований. Особое значение это имеет в метрологии наночастиц для приготовления стандартных образцов, производство которых в России ограничено, а поставки импортных препаратов не покрывают потребности отечественных наноцентров и экономически не всегда обоснованы. Прежде всего это актуально для стандартных препаратов наносеребра с размерами частиц менее 20 нм, число которых на мировом рынке исчисляется единицами, а стабильность и воспроизводимость размеров оставляет желать лучшего. В работе рассматривается и изучается боргидридный метод получения наночастиц (далее НЧ) серебра в различных растворителях. Актуальность работы связана также с разработкой новых «химических» носителей информации, где наночастицы серебра могут быть носителем фотохромных молекул, например, спиропиранов [1].

1. Экспериментальные методы и средства При проведении исследований использовались следующие реактивы: нитрат серебра марки ч.д.а. по ГОСТ 1277-75 ( ООО «Уральский завод химических реактивов»); желатин пищевой марки П-11 («Невареактив»); N, N-диметилформамид марки х.ч. по ГОСТ 20289-79 («Экос-1»); этанол х.ч.; боргидрид натрия х.ч.; эмульгатор 3646/51; пальмитиновая кислота марки х.ч. («Реактив»). Для характеристики полученных наночастиц использовался седиментационный анализ – один из наиболее широко применяемых непрямых методов определения размеров частиц дисперсной фазы в коллоидных и дисперсных системах и их распределения по размерам. Седиментационный анализ выполнялся на дисковой центрифуге CPS DC 24000. Методика седиментационного анализа подробно описана в работе [2]. Методика заключается в восстановлении соли серебра боргидридом натрия в присутствие различных стабилизаторов. Из-за высокой скорости реакции управление процессом затруднено. Проблема решается охлаждением реакционной смеси, а также варьированием концентраций исходных компонентов. Спектр стабилизирующих агентов и растворителей достаточно широк [3, 4, 5]. Например, группe исследователей [4] при использовании желатина удалось получить НЧ, лежащие в диапазоне 5-50 нм, причем большинство частиц имели размер около 30 нм. Мы стабилизировали золь желатином, эмульгатором 3646/51 и пальмитиновой кислотой. В качестве среды апробированы N, N-диметилформамид, этанол и вода.

113

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Реальный механизм реакции достаточно сложный и во многом определяется используемым растворителем. Для водной среды брутто-реакция выглядит так: 2AgNO3 + 2NaBH4 + 6H2O → 2Ag + 7H2 + 2NaNO3 + 2H3BO3 . Следует отметить, что борная кислота является продуктом реакции вследствие взаимодействия диборана с водой: 2B2H6 + 6H2O → 2H3BO3 + 6H2 . В среде других растворителей брутто-механизм выглядит иначе: 2AgNO3 + 2NaBH4 → 2Ag + H2 + 2NaNO3 + 2 B2H6 . Применение различных стабилизаторов позволяет управлять распределением получаемых НЧ. Использование N, N-диметилформамида и этанола в качестве растворителя актуально для получения наноразмерных металлоорганических комплексов серебра со спиропиранами [6], которые могут выступать в качестве химических носителей информации. Отметим, что в отличие от метода Туркевича[7], использование боргидрида натрия позволяет получать НЧ различной формы, а также менять распределение по размеру не только соотношением концентраций исходных реагентов, но также используемым стабилизатором.

2.1. Боргидридный метод в водной среде Боргидридный метод отличается от цитратного тем, что восстановитель не является одновременно стабилизирующим агентом. Поэтому, задача оптимизации заключается не только в подборе оптимальных концентраций и температурных условий синтеза, но также и в отыскании наиболее подходящего стабилизатора. Изначально в качестве стабилизатора применялся эмульгатор 3646/51. Исходные растворы концентрацией CM = 0,001 моль/л охлаждались до 0 0С. Соотношение концентраций [AgNO3]/[NaBH4] = 1/20, объемная доля эмульгатора составила 0,1 %. Функция распределения полученных НЧ по размерам приведена на рис. 1.

Рис.1. Результат седиментационного анализа образца, полученного при [AgNO3]/[NaBH4] = 1/20 (CM = 0,001 моль/л) в водной среде. Объемная доля эмульгатора 3646/51 0,1 %

114

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Полученный образец проявил относительно высокую стабильность, о чем свидетельствует результат седиментационного анализа этого же образца спустя месяц после получения (рис. 2). Главным результатом для этой такого способа синтез НЧ серебра является получение стабильного коллоида, который в перспективе можно использовать в качестве стандартного образца для калибровки измерительного оборудования в нанодиапазоне.

Рис.2. Результат седиментационного анализа образца, полученного при [AgNO3]/[NaBH4] = 1/20 (CM = 0,001 моль/л) в водной среде спустя месяц после синтеза. Объемная доля эмульгатора 3646/51 0,1 % 2.2. Боргидридный метод в этаноле Для боргидридного метода синтеза, в котором в качестве растворителя выступает этиловый спирт, в качестве стабилизатора применялась пальмитиновая кислота (концентрация в реакционной смеси CM = 0,0003 моль/л).

Рис.3. Результат седиментационного анализа образца, полученного при [AgNO3]/[NaBH4] = 1/20 (CM = 0,001 моль/л) в среде этанола. Концентрация пальмитиновой кислоты в реакционной смеси CM = 0,0003 моль/л

115

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

В опыте, проделанном при концентрациях исходных растворов CM = 0,001 моль/л и их соотношении [AgNO3]/[NaBH4] = 1/20, синтезированные частицы имели следующее распределение (см. рис. 3). Получились достаточно мелкие частицы, как и в предыдущем случае, но стабильности такой коллоид не проявил. Это подтверждается седиментационным анализом, проделанным спустя два месяца после получения (рис. 4): средний размер НЧ увеличился примерно в 5 раз. По-видимому, эта модификация боргидридного метода не является оптимальной для достижения основных целей исследовательской работы.

Рис.4. Результат седиментационного анализа образца, полученного при [AgNO3]/[NaBH4] = 1/20 (CM = 0,001 моль/л) в среде этанола спустя два месяца после синтеза. Концентрация пальмитиновой кислоты в реакционной смеси CM = 0,0003 моль/л 2.3.Боргидридный метод в N, N-диметилформамиде В таком способе стабилизатором выступал желатин. Отметим, что N, Nдиметилформамид также способен восстанавливать соли серебра [8], поэтом концентрация исходных растворов была снижена на порядок (CM = 0,0001 моль/л) для лучшего контроля над процессом восстановления. Практически, при соотношении концентраций [AgNO3]/[NaBH4] = 1/4 реагентов и массовой доле желатина 0,0001 % получили золь с достаточно узким распределением частиц по размеру, о чем свидетельствует индекс полидисперсности, равный 1,54. Средний размер частиц составил 10 нм. Модификация боргидридного метода позволила получить стабильные золи, содержащие достаточно мелкие частицы. Такие НЧ в среде N, N-диметилформамида могут выступать в качестве носителей фотохромных молекул спиропирана.

116

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис.5. Результат седиментационного анализа образца, полученного при [AgNO3]/[NaBH4] = 1/4 (CM = 0,0001 моль/л) в N, N-диметилформамиде спустя трое суток после синтеза. Массовая доля желатина в реакционной смеси 0,0001 % Заключение Экспериментально получен ряд стабильных композиций с достаточно узким распределением частиц по размеру и создан научный задел для синтеза металлоорганических комплексов, в состав которых входят НЧ серебра и молекулы спиропиранов. Разработка позволяет совершенствовать химические носители информации. Предполагается также осуществить синтез комплексов, в которых НЧ будет служить подложкой для фотохромных молекул. Кроме того, перспективно получение монодисперсных золей из синтезированных образцов ультрацентрифугированием. Список литературы: 1. Метелица А.В. Спектрокинетика и динамика фотоинициированных процессов в фотохромных спироциклических системах / Дисс. д.х.н. Ростов-на-Дону; НИИ ФОХ ЮФУ, 2012. 428 с. 2. Кужаров А.С.и др. Методика седиментационнго анализа на центрифуге CPS / Матер. IX Междунар. научно-практ. конф. «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике». Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2010. 3. Крутяков Ю.А. и др. Синтез и свойства НЧ серебра: достижения и перспективы // Успехи химии. 2008. Т. 77. №3. С 242-269.

4. Вегера А.В., Зимон А.Д. Синтез и физикохимимические свойства наночастиц серебра, стабилизированных желатином // Изв. Томск. политех. унив. 2006. Т. 309. № 5. С 6064. 5. Шмахов С.Н. Синтез и свойства наночастиц металлов, стабилизированных водорастворимыми полимерами / Дисс. к.х.н. Алматы: Инст. хим. Наук КН МОН РК, 2009.

108 с. 6. Kuzharov A.S. et al. Photochromism of cation-active spyropyrans on nanosize silver clasters / Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии – XI международная научная конференция. Ставрополь: СевКавГТУ, 2012. С. 234–236. 7. Turkevic J., Stevenson P.C., Hiller J. // Discuss. Faradey Soc. 1951. Vol. 11. № 55. 8. Pastoriza-Santos I., LizMarzan L.M. Reduction of silver nanoparticles in DMF. Formation of monolayers and stable colloids // Pure Appl. Chem. 2000. Vol. 72. P. 83–90.

117

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.75 COLD PLASTIC DEFORMATION OF THE BEARING RINGS RACEWAY Pruteanu O.1, Carausu C.1, Gramescu T.1, Nedelcu D.1 (1 – UT, Iasi, Romania, Romania) Abstract: This paper presents comparative results from cold plastic deformation on outer ring raceway of the two types of bearings: 6211 and 6309. The experimentation conditions, the variation diagrams of the shape deviation (circularity) and of the roughness of the raceway of the outer rings depending on deformation force, deformation feed and rotation speed of the roller. After the mathematic modeling of the experimental results, the comparative analysis and the conditions concerning the optimum processing conditions are presented.

Key words: plastic deformation, circularity, roughness, mathematic modeling.

1. Introduction The cold plastic deformation is characterized by high precision in terms of dimension and shape, superior quality of the processed surfaces, roughness and superficial layer, metal economy, increased productivity, etc.

In literature there are works [2, 3] which present the influence of some technological factors on the quality parameters of the processed surface. Paper [1] presents calculation relations established by various researchers depending on the considered criterion: geometry of the tool and of the piece [Maier, Schneider], the roughness of the run surface [Herold], the work parameters [Bokoiavlenscki] etc.

2. Experimental conditions Experimental research was realized at SC Rulmenţi SA Bârlad in the following conditions: -

material: 100Cr6; unfinished goods: warm forged and laminated; outer rings for the types of bearings 6211 and 6309; machine: CRF-120 OR, with the work parameters presented in table 1; tools: specific to the machine and to the type of bearing – mandrel and deformation roller; - measurement devices: Taylor Hobson Formtalysurf.

Table 1. Work parameters of the machine CRF-120 OR Parameters Range Experimental values Deformation force, F [daN] 12100 - 12100; 13200; 14300; 15400; 16500; 17600 17600 Feed rate, s [mm/min] 30 – 50 30; 35; 40; 45; 50 Rotation speed of the roller, n [rpm] 85 – 125 85; 90; 95; 100; 110; 120 3. Experimental findings Experimental research was conducted on the two types of outer rings from bearings 6211 and 6309 by variation of one parameter at the values mentioned in table 1 and the maintaining of the other two parameters constant. The results are presented in table 2.

118

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Independent parameter Force F [daN] 12100 13200 14300 15400 16500 17600 Feed rate s [mm/min] 30 35 40 45 50

Table 2. Experimental results 6211-10 6309-10 Circularity Roughness Circularity Roughness μm μm μm μm Variation of the deformation force, F [daN] / constant : n = [90 rpm] : s = 40 [mm/min] 130 0.28 150 0.24 310 0.35 260 0.32 180 0.33 240 0.34 275 0.29 310 0.27 300 0.28 290 0.30 160 0.30 180 0.32 Variation of the feed rate, s [mm/min] constant P= 15400[daN], n= 90 [rpm] 255 0.085 170 0.10 195 0.10 185 0.12 180 0.15 210 0.22 210 0.12 205 0.14 220 0.18 200 0.19

The figures 1-2 present the variation of the quality parameters (roughness and circularity) depending on the work parameters (deformation force and feed rate).

4. Mathematical modelling of the experiment results For the deduction of the relations of work parameters influences on quality parameters, the Table Curve 2D v5.01 is used.

The correlation coefficient R2 was deducted, the estimated error, the significance test F was applied, and through comparison the most appropriate model was established for the experiment data [4].

0.36

350

6211-10

6309-10

0.34

300

[ aR ,ssenhguoR

0.30

]mm [ riC ,ytiralucriC

]mm

0.32

0.28

0.26

rotation roll, n = 90 [rpm] working feed s = 40 [mm/min]

250

200 rotation roll, n = 90 [rpm] working feed s = 40 [mm/min]

150

6211-10 6309-10

0.24

0.22 11000

12000

13000

14000

15000

16000

17000

18000

100 11000

Force, F [daN]

12000

13000

14000

15000

16000

17000

18000

Force, F [daN]

a. b.

Fig. 1. Variation of the roughness (a) and circularity (b) with the deformation force, F

119

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 0.24

260

6211-10 6309-10

0.22

6211-10 6309-10 240

0.20

]mm [ riC ,ytiralucriC

]mm [ aR ,ssenhguoR

0.18 0.16 0.14 0.12 0.10

200

180

deformation force, F = 15400 [daN] rotation roll, n = 90 [rpm]

0.08

220

deformation force, F = 15400 [daN] rotation roll, n = 90 [rpm]

0.06

160

25

30

35

40

45

50

55

25

30

Feed, s [mm/min]

35

40

45

50

55

Feed, s [mm/min]

a. b.

Fig. 2. Variation of the roughness (a) and circularity (b) with the feed, s The mathematic expression of the models which best describe the factor influences – deformation force and feed rate - on roughness and circularity are presented in table 3.

The graphical representation of these functions and the experimental values are presented in figures 3-4.

Table 3. The mathematic expression of the models which describe the factor influences on roughness and circularity

Force, F Force, F Feed, s

Circularity, Cir

Feed, s

Rougness, Ra

Parameter Factor Ring

Mathematical expression

b ln F d + c ⋅ 2 + 2 , with: a = 22.656; F F F b = -1336876.8; c = 9.8856e+9; d = -8.003e+10 ln F d Ra = a + b ⋅ ln F + c ⋅ + , with: a = 6309F F 10 1187.08; b = 102.29; c = 1516398.7; d = -11524812 c s 6211- Ra = a + b ⋅ e + 2 , with: a = 0.1752; s 10 b = 7.1357e-24; c = -80.72

621110

Ra = a +

b ln s , with: a = -24.908; + c⋅ 6309- Ra = a + ln s s 10 b = 148.51; c = -164.58 6211- Cir= a + b ⋅ F 2 + c ⋅ F 4 , with a = -623.85; 10 b = 7.777e-6; c = 1.674e-14 6309- Cir= a + b ⋅ F 2 + c ⋅ F 4 , with a = -739.46; 10 b = 8.888e-6; c = 1.901e-14 6211- Cir= a + b ⋅ s2 + c ⋅ s4 , with a = 582.204; 10 b = -1177014; c = 3708704.6 1 , with: a = 0.4744; Cir= b ln s 6309a+ + c⋅ ln s s 10 b = -2.77; c = 3.055

120

R2

Significance test F

0.997

239.69

0.832

3.3

0.835

5.078

0.514

1.058

0.835

5.079

0.514

1.06

0.835

5.079

0.514

1.058

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Circularity [um]

Circularity [um]

a. b.

Fig. 3. Estimated influences of deformation force (a) and feed rates (b) on roughness, Ra

a. b.

Fig. 4. Estimated influences of deformation force (a.), feed rates (b.) on circularity 5. Conclusions Following the graphic representation of the values of the quality parameters depending on the work parameters of the machine to be processed by cold plastic deformation, one can reach the following conclusions: - the increase of the deformation force, there occurs an increase on the roughness for both types of bearings, fig. 1-a, with smaller values being registered at the 6309-10 type as a result of a bigger contact surface between the race and the roller; - the shape, circularity deviations, fig. 1-b, generally increase by the increase of the deformation force up to the force of 16500 [daN] with one exception at the force of 14300 [daN], after which one may notice a relatively small increase of deviations. The cause of this variation can be explained by the vibrations and self-vibrations in the technological system; - feed rate, the roughness of the processed surfaces also increases, fig. 2-a, with a bigger influence on the ring 6309-10, as well as on shape deviations, fig. 2-b, with a reduction around the value of 35-40 mm/min. This tendency can be explained via the bigger sizes of the contact surface between the unfinished goods and the roller.

121

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

5. References 1. Octavian Lupescu – Netezirea suprafeţelor prin deformare plastică – Ed. TehnicaInfo, Chişinău, Rep. Moldova, 1999, ISBN: 9975-910-67-X, 2. Octavian Pruteanu, Constantin Cărăuşu, Lucian Tăbăcaru, Traian Grămescu – Influence of deformation feed on the roughness and shape precision of cold worked surfaces - International Journal of Modern Manufacturing Technologies, vol I, nr.I/2009, pg. 67-71, Ed. Politehnium Iaşi, 3. Petre Leonte, Constantin Cărăuşu, Octavian Pruteanu, Lucian Tăbăcaru – The influence of technological factors upon the form accuracy surfaces of the cold plastic deformation bearing rings - International Journal of Modern Manufacturing Technologies, vol II, nr.I/2010, pg. 37-42, Ed. Politehnium Iaşi.

4. Levin, R. & Rubin, D. (1998) - Statistics for management. Seventh edition. Ed. Pearson Education. ISBN 81-7808-741-3.

УДК 621.825 ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЗУБЧАТЫХ МУФТ Польченко В.В., Бондарев В.А. (каф. ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) . Теория и инженерная практика повышения износостойкости и надежности работы трущихся деталей располагает большим количеством важных качественных зависимостей, результатов экспериментальных исследований и наблюдений, использование которых позволяет существенно повысить сроки службы машин. Рассмотрим возможности повышения долговечности деталей машин на примере зубчатых муфт. Неисправности агрегатов и машин зачастую связаны с нарушением работоспособности зубчатых муфт. При этом большинство отказов связано с износом зубьев зубчатых муфт, их поломкой или увеличением выше допустимого предела вибраций машины, вызванных увеличенными зазорами в зацеплении муфты. Важнейшим в вопросе повышения долговечности зубчатых муфт является установление видов разрушения зубьев. Для этого по специально разработанной методике исследовалось состояние поверхностного слоя зубьев муфты после изготовления и эксплуатации в производственных и лабораторных условиях при различных режимах работы муфт. По изменениям характера и величины шероховатости, волнистости поверхности, механических и физических свойств трущейся поверхности, внешнему виду поверхности делался вывод о виде износа, разрушения поверхностей зубьев. На основании исследований видов разрушения и условий их возникновения разработана классификация основных видов износа зубьев зубчатых муфт, которая на стадии проектирования, после установления основных параметров эксплуатации определяет ведущий вид износа и предусматривает мероприятия по его минимизации [1]. Долговечность зубчатой муфты будет зависеть от износа зубьев. Для зубчатых муфт удобнее пользоваться линейной интенсивностью, представляющей собой толщину слоя изношенного материала зуба h на единицу пути трения L. Для случая пластического контакта И.В. Крагельским получена зависимость для линейной интенсивности на основе молекулярно-механической теории трения [2]. Однако к зубчатым муфтам непосредственно применить указанную зависимость не представляется возможным, потому что она выведена для условий однонаправлен-

122

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ного трения скольжения, при котором интенсивность износа ниже, чем при возвратнопоступательном скольжении, что имеет место в зубчатых муфтах. Учитывая переменность нагрузки на зубьях муфты в пределах контактной зоны и возвратно-поступательное скольжение, линейный износ зуба за один оборот муфты можно определить по зависимости [2], преобразованной к виду

h=2

Kи HB

γ

ϕk

ϕ ∫ Ρai (ϕi )L i (ϕi )dϕi ,

o

где Pai – давление, зависящее от угла положения зуба; НВ – твердость материала зуба; Ku – экспериментальный коэффициент, учитывающий микрогеометрию контактирующих тел, условия смазки, напряженное состояние материала; γ - показатель степени зависимости износа от давления и твердости зубьев; ϕk - угол зоны контакта зубьев; ϕi – угол положения зуба. В результате анализа распределения нагрузки между зубьями установлено, что давление на зубьях в значительной мере зависит от деформаций изгиба, контактного сжатия и перемещения, обусловленного упругой деформацией прилегающей к зубу части обода [3]. На составляющие суммарного перемещения, обусловленные деформациями изгиба и контактного сжатия воздействовать, в смысле их увеличения, не представляется возможным без снижения изгибной и контактной прочности зубьев. Перемещениями, вызванными упругой деформацией прилегающей к зубу части обода можно управлять оптимальной конструкцией ступицы, снижая при этом давление на зубьях и повышая долговечность муфты. Эксперимент по исследованию распределения нагрузки между зубьями муфты, имеющих различную конфигурацию показал, что изменением жесткости обода можно увеличить число зубьев, передающих нагрузку на 40%, без снижения изгибной прочности. Благоприятное распределение нагрузки между зубьями муфты, может быть достигнуто также уменьшением ширины зуба втулки и увеличением расстояния между зубчатыми венцами втулок. При этом необходимо учитывать другие факторы, ограничивающие размеры названных параметров. В частности, увеличение расстояния между зубчатыми венцами втулок приводит к увеличению габаритов муфты, хотя при этом возрастает компенсирующая способность муфты. В процессах изнашивания важную роль играют состояние и свойства тонкого поверхностного слоя деталей машин, от которых зависит характер образования и разрушения вторичных структур. Поверхностный слой формируется при окончательной обработке деталей машин. В настоящее время в машиностроении применяется большое число способов формирования поверхностного слоя деталей. К основным методам, обеспечивающим повышение надежности и долговечности деталей машин, относятся: упрочнение пластическим деформированием, термообработка, наплавка и напыление износостойкого материала на рабочие поверхности деталей, электролитические и химические покрытия, электроискровое упрочнение, покрытие полимерными материалами и т.п. Эти методы дают возможность получать поверхностные слои с нужными эксплуатационными свойствами. Из перечисленных методов наиболее технологичным для зубьев зубчатых муфт может быть дробеструйный наклёп.

123

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Эксперимент по исследованию влияния режимов обработки на состояние поверхностного слоя были проведены на образцах зубчатых муфт, изготовленных из стали 45. Дробеструйный наклёп повышает твердость поверхностного слоя зубьев на 20…

30%. Изменением времени дробеструйной обработки можно управлять шероховатостью обрабатываемой поверхности и достигать Ra 3,2…6,3 мкм. Исходная шероховатость при этом на окончательную не влияет. Упрочнение поверхностного слоя зубьев муфты дробеструйным наклепом способствует повышению износостойкости рабочих поверхностей, главным образом за счет наклепа. Повышение твердости, прочности и активизации поверхностного слоя при наклепе способствует установление динамического равновесия разрушения и восстановления вторичных структур. А это оказывает существенное влияние на расширение диапазона нагрузок, при которых происходит нормальный окислительный износ. На образцах зубчатых втулок, предварительно обработанных дробью, при трении в среде смазки индустриальное 30, даже при высоких давлениях (до 890 Мпа) не развивается схватывание I рода и стабильно сохраняется нормальный окислительный износ. Одним из основных эксплуатационных методов повышения долговечности зубчатых муфт является применение смазочных материалов по физическим и химическим свойствам соответствующих условиям работы зубчатых муфт. Параметры трения между зубьями муфты не обеспечивают создания устойчивого масляного клина. Поэтому для снижения износа в процессе трения должны непрерывно создаваться разделительные вторичные структуры, экранирующие непосредственное взаимодействие твердых тел. Максимальный эффект функционального назначения смазочной среды достигается при применении масел с присадками. При этом возникает возможность управления процессами трения износа, создание устойчивого протекания процессов. Проведенные эксперименты показали, что присутствие ПАВ в смазочной среде снижает износ зубьев. Хорошие противоизносные свойства показали присадки с серой. Серные присадки создают на трущихся поверхностях металлов пленки сульфидов, для которых характерна высокая твердость, прочность и температура плавления. Сульфиды образуются при температуре порядка 200°С, поэтому противозадирный эффект этих присадок может проявляться только при высоких температурах. Так как температура в зоне трения зубьев не повышается выше 150°С, то полностью противозадирные свойства серных присадок не проявляются. Самые хорошие противозадирные и противоизносные свойства показали присадки с хлором. Хлорные присадки образуют на трущихся поверхностях металлов пленки хлоридов. Они также образуются при высоких температурах, но ниже чем сульфиды, а именно при температуре примерно 150°С, что соответствует температуре на площадке контакта зубьев. Пленки хлоридов железа характеризуются пластинчатой структурой, что обеспечивает малое сопротивление сдвига и низкий коэффициент трения. Список литературы:1. Польченко В.В., Михайлов А.Н. Износ в зубчатых муфтах. // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: сб. научных трудов. – Донецк: ДонГТУ, 1997. Вып. – с. 131-135. 2. Крагельский И.В. Трение и износ. – М.: Машиностроение, 1968. 3. Польченко В.В., Соловей А.В. Распределение нагрузки между зубьями зубчатой муфты. // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонГТУ, 1998. Вып. 5 – с. 177-181.

124

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

УДК 621.9: 658.5 ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНИХ РЕЖИМІВ РІЗАННЯ ІНСТРУМЕНТАМИ З ПОКРИТТЯМ ПІД ЧАС ТОЧІННЯ ВИСОКОМІЦНИХ ЧАВУНІВ Вітохіна Д.В., Брадулов П.Р., Івченко Т.Г. (кафедра ТМ, ДонНТУ, Донецьк, Україна) Тел./Факс: +38 (062) 3050104;E-mail: tm@mech.dgtu.donetsk.ua Анотація. Представлена методика оптимізації режимів різання інструментами з карбонітридним покриттям під час точіння високоміцних чавунів з використанням методу лінійного програмування. На підставі досліджень теплових явищ під час обробки чавунів оптимальні подачі та швидкості різання, що забезпечують максимальну продуктивність обробки, визначені з урахуванням температурних обмежень. Ключові слова: точіння, чавун, оптимізація, швидкість, подача, покриття. Підвищення продуктивності виготовлення деталей машин – актуальна задача сучасного машинобудування, яка найбільш ефективно вирішується на підставі вибору раціональних параметрів механічної обробки. Найбільш обґрунтоване підвищення режимів різання виконується на підставі оптимізації за критерієм максимальної продуктивності з використанням методу лінійного програмування [1], який дозволяє здійснювати одночасну оптимізацію швидкості різання і подачі з урахуванням діючих обмежень. Перспективним напрямком удосконалення процесів механічної обробки в наступний час вважається широке використання твердосплавних інструментів зі зносостійкими покриттями з карбідів, нітридів, карбонітридів титану, які суттєво підвищу ють стійкість різального інструменту [2]. Під час точіння чавунів внаслідок високих температур різання значну роль відіграють температурні обмеження [3, 4]. Однак, в сучасній довідково - нормативній літературі інформація про температурні обмеження для різних умов обробки, в тому складі для обробки чавунів інструментами з покриттям, досить обмежена, що потребує подальших досліджень в цьому напрямку. Мета роботи - визначення оптимальних режимів різання під час точіння високоміцних чавунів інструментами з покриттям за критерієм максимальної продуктивності з урахуванням температурних обмежень. Дослідження теплових явищ під час обробки чавунів свідчать про те, що незважаючи на менші сили різання в порівнянні зі сталями, щільності теплових потоків в зоні Рис. 1. Графіки залежрізання перевищують щільність теплових потоків під час ності температури різання обробки сталей, внаслідок істотно нижчих площадок конΘ від швидкості V під час такту стружки з передньою поверхнею леза. [4]. токарної обробки чавунів: Однак, значно більша теплопровідність однокарбіглибина різання t=3мм; дних твердих сплавів групи ВК в порівнянні з двох карподача S=0,3мм/об бідними сплавами групи ТК, а також значно менші контактні площадки на передній поверхні, обумовлюють складний сукупний вплив на температуру різання. На рис. 1 представлені графіки залежності температури різання  від швидкості різання в умовах токарної обробки різних чавунів: сірих СЧ20, ковких КЧ30-6, високо-

125

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

міцних ВЧ40 та ВЧ60. Температура різання суттєво зростає з підвищенням швидкості різання, твердості та міцності чавунів. З використанням множинного регресійного аналізу встановлені аналітичні залежності температури різання від швидкості різання V, подачі S та глибини різання t, які кількісно характеризують взаємозв’язок між цими параметрами для обробки чавунів твердими сплавами: Θ 3 = C ΘV 0 ,65 S 0 ,38 t 0 ,2 , (1) де С – коефіцієнт,що залежать від умов обробки: для сірого чавуну СЧ20 СΘ1 = 28,5; для ковкого чавуну КЧ30-6 СΘ2 = 24,6; для високоміцного чавуну ВЧ40 СΘ3 = 30,5; ВЧ60 СΘ4 = 34,1. Розрахунки свідчать про те, що температура різання в певних умовах обробки різних чавунів може перевищувати допустимий рівень 800оС, що потребує урахування температурних обмежень та вживання заходів для зниження температур. Під час оптимізації режимів різання як цільова функція розглядається продуктивність обробки, обумовлена основним часом: to = L/nS (L – довжина обробки, n - частота обертання, S – подача). Максимум продуктивності досягається при мінімумі основного часу, або максимумі добутку nS → max. Під час токарної обробки чавунів розглядаються обмеження: по можливостях різального інструменту, по потужності різання, по міцності державки різця, по міцності пластини різця, по температурі різання, по припустимих діапазонах частот обертання і подач. В результаті лінеаризації цільової функції й обмежень шляхом логарифмування для токарної обробки чавуна визначена наступна математична модель процесу різання: b1 = ln 1000 CV K V K Tm DT m t xv ;  X 1 + yV X 2 ≤ b1 , 3 (n + 2 ) ( ) x b2 = ln 6 ⋅ 10 p N cт C P K P (D ) n p +1 t p ; (n + 1)X 1 + y X 2 ≤ b , P 2  P n x b3 = ln  и ВН 2 1000 n 6lC P K P (D ) p t p КЗ ; n P X 1 + y P X 2 ≤ b3 ,  y ( x − 0.77 )  y P X 2 ≤ b4 , ; (2) b4 = ln 34 с1.35 K  C P K P s p t p   z t X 1 + yt X 2 ≤ b5 , z b5 = ln 1000 zt Θ СΘ K Θ (D ) t ;  X 1 ≥ b6 , X 1 ≤ b7 ,  b6 = ln nmin; b7 = ln nmax; b8 = ln Smin; b9 = ln Smax.  X 2 ≥ b8 , X 2 ≤ b9 , ( X 1 + X 2) → max,  де D – діаметр обробки; t – глибина різання; T- стійкість інструменту; CV, KV – постійний коефіцієнт та коефіцієнт, що враховує умови обробки; KТ – коефіцієнт, що враховує підвищення стійкості для інструменту з покриттям; xv, yv, m – показники, що характеризують ступінь впливу глибини, подачі та стійкості на швидкість різання; CР, KР - постійний коефіцієнт та коефіцієнт, що враховує умови обробки; xр, yр, nр – показники, що характеризують ступінь впливу глибини, подачі та швидкості на силу різання Рz;  - коефіцієнт корисної дії передач верстата; с – товщина пластини; Кφ = (sin60o/sin)0,8 - коефіцієнт, що враховує головний кут різця в плані φ. СΘ, КΘ - постійний коефіцієнт та коефіцієнт, що враховує умови обробки; xt, yt, zt - показники, що характеризують ступінь впливу глибини, подачі та швидкості на температуру різання; nmin; nmax; Smin; Smax - гранично припустимі діапазони частоти обертання та подач, обумовлені кінематичною структурою приводів головного руху і подач: Приклад визначення оптимальних режимів різання приведений для токарної обробки на токарно-гвинторізному верстаті 16К20Ф3 колінчастого валу компресорів побутових холодильників з високоміцного чавуну ВЧ40, збірними різцями з механічним

(

)

( ( ( (

)

126

)

)

)

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

закріпленням твердосплавних пластин ВК8 з карбонітридним покриттям, яке суттєво підвищує стійкість інструменту, що в математичній моделі (2) враховується коефіцієнтом КТ = 4 [2]; геометричні параметри: головний кут в плані =45°, передній кут =10°; товщина пластини с=5мм; ширина та висота державки B=25мм; H=25мм; виліт різця lp=25мм; стійкість Т=30хв., глибина різання t = 3мм. Для заданих умов обробки прийняті наступні коефіцієнти та показники, що характеризують ступінь впливу глибини, подачі і стійкості на швидкість різання: CV =317; KV = 0,7; xv = 0,15; yv = 0,20; m = 0,2; КТ = 4; коефіцієнти і показники, що характеризують ступінь впливу глибини, подачі і швидкості на силу різання: CР = 81; KР = 1,48; xр = 1,0; yр = 0,75; nр = 0; коефіцієнти і показники, що характеризують ступінь впливу глибини, подачі і швидкості на Рис. 2. Схема визначення оптимальтемпературу різання: СΘ = 34,1; xΘ = 0,2; yΘ = них режимів різання для токарної об- 0,38; zΘ = 0,65. З їх урахуванням визначені наробки високоміцного чавуна BЧ40 ступні значення параметрів bі: b1 = 6,009; b2 = 5,535; b3 = 0,649; b4 = 4,202; b5 = -0,205; b6 = -2,996; b7 = 1,03; b8 = 2,536; b9 = 7,601. Багатокутник АВСD являє собою область можливих рішень. Цільова функція приймає максимальне значення в крапці С, для якої сума відстаней до осей (X1+X2) максимальна, про що свідчить украй можливе положення лінії 10, що характеризує цільову функцію. Координати крапки С(X1о, X2о) є шуканими оптимальними значеннями параметрів, на підставі яких визначаються оптимальні частота обертання і подача. Крапка С1(X1о1, X2о) визначає оптимальні режими для інструменту без покриття. Для заданих умов обробки визначені наступні результати розрахунку оптимальних режимів різання: X1о = 6,063; X2о = -0,273, no = e X 1o = 430об / хв; so = e X 2o = 0,76 мм / об ; v o = Dno 1000 = 101м / хв Наявність покриття підвищує швидкість різання в 1,3 рази. Таким чином, на підставі представленої методики оптимізації режимів різання інструментами з покриттям під час точіння чавунів з урахуванням температурних обмежень визначені оптимальні подачі та швидкості різання, що забезпечують максимальну продуктивність обробки. Перелік літератури: 1. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. - М.: Машиностроение. 1989. 296с. 2. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойким покрытием / А.С. Верещака. – М.; Машиностроение,1993. 368с. 3. Івченко Т.Г. Визначення впливу режимів точіння на температуру різання в різних умовах механічної обробки / Т.Г Івченко., К.О. Король, Д.В. Вітохіна // Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы. Материалы 14 международного научно-практического семинара в Донецке. В 2-х т. Т. 2. – Донецк: ДонНТУ, 2013. – С.121 - 125. 4. Івченко Т.Г. Аналіз впливу параметрів механічної обробки на температуру різання чавунів / Т.Г Івченко., Д.В. Вітохіна // Молодая наука ХХI века: Сборник научных работ международной студенческой научной конференции. Краматорск: ДГМА, 2013. – С.36-39.

127

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

УДК 621.941.1 ВИБРАЦИОННОЕ РЕЗАНИЕ, КАК РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ ОБРАБОТКИ ТОНКОСТЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ Исаев Д.С., Таровик А.Б., Михайлов А.Н. (Кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк) Аннотация. Повышается процентная доля тонкостенных изделий, обработка которых вызывает трудности, в процессе изготовления машин и оборудования, поэтому требуются новые композиционные технологии, которые способны упростить изготовление тонкостенных изделий. В качестве данной технологии выступает вибрационное резание. Ключевые слова: вибрационное резание, тонкостенные изделия, преобразователь, ультразвук, концентратор, колебания. В связи с развитием авиации, космической техники, судостроения и машиностроении, где большую роль играет металлоемкость изделий, становится актуальным изготавливать изделия, имеющие малый вес. Так как не всегда удается уменьшить габариты или убрать некоторые элементарные поверхности, то возникает необходимость в изготовлении изделий с тонкими стенками. Для тонкостенных изделий повышены требования к показателям точности и качества их изготовления. Но при этом не нужно забывать о производительности. Возникает проблема: как повысить качество и точность изготовления данных изделий, но не потерять производительность. Перед исследователями и инженерами становится задача о поиске эффективного метода обработки, который позволил бы решить данную проблему. При традиционном резании производительность высока, но имеем недостаток качества и потерю точности, другие методы позволяют получить точность и качество, но имеют потерю в производительности. Решением данной проблемы является применение специальных композиционных технологий. Композиционная технология это специальная технология, базирующаяся на композиции принципов и особенностей синтеза различных вариантов технологий, которая позволяет управлять свойствами изделия и обеспечивать повышение параметров его качества по направлениям состава композиции вариантов технологий [1]. В данном случае в качестве вариантов этих технологий выступает традиционное точение и ультразвук. Суть процесса состоит в том, чтобы обеспечить регулярное импульсное воздействие на деталь, обрабатываемую с постоянной скоростью резания v, как изображено на рисунке 1, использовали режущий инструмент, который совершал синусоидальные колебания в направлении резания с постоянной амплитудой a и частотой f таким образом, что скорость v не превышала 2af. При этом для придания колебаний режущему инструменту использовали отдельный источник энергии [2]. В качестве данного источника применяют ультразвуковой генератор(в нашем случае – модели УЗГ1-1), преобразующий электрическую энергию промышленной частоты в электрическую энергию ультразвуковой частоты [3], и магнитострикционный преобразователь, преобразующий электрическую энергию ультразвуковой частоты в механические колебания. Данные колебания накладывались на режущий инструмент с малой амплитудой (a = 10…25 мкм) в ультразвуковом диапазоне частот (f = 20…50 кГц). Такую обработку назвали резанием с ультразвуковыми колебаниями. При его исследовании обращали внимание на разработку соответствующего оборудования и на закон движения рабочей кромки режущего инструмента. Такое резание существенно отличается от традиционного. Поскольку в этом случае используются переходные процессы и, как показано на рисунке 1, механизм обработки стружки непосредственно обусловлен импульсными

128

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

силами резания, можно воспользоваться терминами «импульсное резание с вибрациями», или просто «импульсное резание». Однако в дальнейшем от этих терминов было решено отказаться и ввести общее понятие «вибрационное резание» [2]. При обычном резании важным фактором является получение устойчивых, т.е. регулярных колебаний по закону p sinwt в стационарной области. Методом вибрационного резания можно с высокой точностью обрабатывать алмазными резцами закаленные стали, резцами из твердых сплавов – быстрорежущие стали и другие материалы. Таким методом удается добиться прецизионной обработки тонкостенных изделий с Рис. 1. Схема установки для вибрационного резания: 1- электродвигатель малой мощности; 2- заготовка; 3- вибра- практически идеальными показателями тор; 4- источник питания вибратора овальности, нецилиндричности, непараллельности и отклонениями от плоскостности и прямолинейности формы. При колебательной системе можно путем наложения соответствующих частот широкого спектра создать условия, при которых слабо колеблющаяся режущая кромка будет оставаться, как бы неподвижной. В таком случае удастся реализовать идеальную модель резания. Следовательно, появится способ прецизионной обработки, позволяющий получить идеальную поверхность с практически нулевой шероховатостью и без отклонений от плоскостности. При таком способе возможно будет получать сливную стружку, которая имеет узкий и постоянный интервал сдвига [2]. Такая идея может быть обоснована рассмотрением динамических характеристик колебательной системы СПИД. Вполне естественно, что коэффициент жесткости k системы в таком случае должен быть высоким. Помимо этого, необходимо проанализировать с новых позиций не только абсолютные значения Pср и p, характеризующие сопротивление резанию, но и такой важный параметр как круговая частота колебаний w, на которую раньше не обращали внимания. Существует три основных направления высокочастотных колебаний (Рис. 2): - в направлении осевой составляющей силы резания; - в радиальном направлении; - в направлении главной составляющей силы резания.

129

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Рис. 2. Виды направления высокочастотных(ультразвуковых) колебаний: а) в направлении осевой составляющей силы резания; б) в радиальном направлении; в) в направлении главной составляющей силы резания; 1- заготовка; 2- инструмент При помощи отдельно установленного колебательного привода можно непосредственно заставить колебаться рабочие кромки режущего инструмента. За счет энергии привода можно обеспечить слабые колебания по закону p sin wt. В таком случае удастся разработать рациональный способ резания, при котором выделение тепла будет незначительным, а частота может быть довольно большой. Режущие кромки инструмента обычно совершают нерегулярные колебания довольно сложной формы, которым соответствуют ударные нагрузки, действующие в направлении резания. Вероятно, была бы идеальной организация такого резания, при котором ударные нагрузки, создаваемые резцом, имели бы регулярный характер. В таком случае вместо непрерывной синусоиды следовало бы использовать силу резания регулярного импульсного характера. Импульсные силы резания в колебательной системе СПИД могут действовать и в области переходных процессов. Чем больше ширина импульсов, тем эффективнее будут использованы эти процессы [2]. Таким способом можно осуществлять прецизионное резание тонкостенных изделий, которые раньше обычно обрабатывали шлифованием; вибрирующим алмазным инструментом можно резать закаленные стали. Можно надеяться, что в перспективе вместо шлифовальных станков для обработки (заточки) инструмента будут использоваться станки с вибрирующим режущим инструментом. На основе вибрационного принципа резания можно будет создать весьма разнообразное новое станочное оборудование. Список литературы : 1. Михайлов А.Н. Основы синтеза композиционных технологий машиностроения /А.Н. Михайлов, Е.А. Михайлова, Д.А. Михайлов // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні. Вісник Національного університету «Львівська політехніка». – 2011.

– No 713 . – С. 23 – 31. 2. Кумабэ Д. Вибрационное резание: Пер. с яп. С.Л. Масленникова/ Под ред. И.И. Портнова, В.В. Белова. – М.: Машиностроение, 1985. – 424 с. 3. Генератор ультразвуковой модели УЗГ1-1. Руководство по эксплуатации. - М:МашГиз, 1985. 4. Рикардс Р.Б. Метод конечных элементов в теории оболочек и пластин. – Рига: Зннатне, 1988. – 284с.

130

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

УДК 621.91.02 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГНЕЗДА ДЕРЖАВКИ РЕЗЦА С АВТОМАТИЧЕСКИ ЗАМЕНЯЕМЫМИ РЕЖУЩИМИ ВСТАВКАМИ Казаченко К.В., Гринёв Ю.А. (каф. МСМО, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Основной тенденцией в мировой инструментальной промышленности является повышение унификации и универсальности сборного режущего инструмента. При этом повышение производительности в машиностроительном производстве достигается за счет применения автоматизированного оборудования, оснащенного системами ЧПУ, что подразумевает также реализацию в конструкциях инструмента возможности автоматизированной смены отдельных режущих элементов, рабочей части и самого инструмента в целом. Этим тенденциям отвечает резец (рис.1) [1], спроектированный в Донецком национальном техническом университете. При этом было предложено конструктивное решение, но не были определены рациональные параметры элементов самого корпуса резца и его рабочей части. В связи с этим целью данной работы является определение рациональных параметров державки резца с автоматически заменяемыми режущими вставками. В работах [2, 3] предложены зависимости для определения констРис. 1. Токарный резец [1] руктивных и геометрических параметров универсальных резцов с рабочей частью, оснащенной многогранными неперетачиваемыми пластинами (МНП): С помощью данных зависимостей определим возможность установки на одной державке сменных вставок, оснащенных стандартными МНП различной конфигурации, которые приведены на рисунке 2. Рассмотрим различные варианты сочетания базовых геометрических параметров: главного угла в плане , главного заднего нормального угла N, угла наклона главной режущей кромки 0, которые определяют параметры опорных поверхностей гнезда державки и геометрические параметры на главной и вспомогательной режущих кромках рабочей части универсального резца. При этом базовые параметры принимают следующие значения:  - 45°; N - 5°, 10°, 15°; 0 - 0°, 5°; 10°. Кроме того, рассматривается установка различных МНП с углами в плане  + 15°,  + 30° на опорную поверхность, которая определяется базовыми параметрами  = 45°; N = 10°; 0 = 0°. Наиболее рациональным считается такое положение опорной поверхности гнезда державки, при котором обеспечивается возможность установки максимального количества МНП. Ограничениями являются значения вспомогательного угла в плане (не менее 5°) и вспомогательного заднего угла (не менее 0°).

131

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Рис. 2. Конфигурации исследуемых пластин Результаты расчетов геометрических параметров на главной и вспомогательной режущих кромках сведем в таблицы 1 - 7. Таблица 1. Геометрические параметры на главной и вспомогательной режущих кромках при базовых параметрах:  = 45°; N = 10°; 0 = 0° Квадратная Треугольная Ромбическая Пятигранная Шестигранная

45° 45° 45° 45° 45°

-10 -10 -10 -10 -10

10 10 10 10 10

0 0 0 0 0

45 75,4 55,2 26,741 14,619

0 5 1,789 -3,162 -5,096

0 -4,981 -1,73 3,076 4,981

10 8,65 9,96 9,506 8,649

Таблица 2 – Геометрические параметры на главной и вспомогательной режущих кромках при базовых параметрах:  = 45°; N = 10°; 0 = 0° и повороте пластин на опорной поверхности на 15° Квадратная Треугольная Ромбическая Пятигранная Шестигранная

59,782 59,782 59,782 59,782 59,782

-9,675 -9,675 -9,675 -9,675 -9,675

9,656 9,656 9,656 9,656 9,656

2,576 2,576 2,576 2,576 2,576

29,779 60,221 39,923 11,598 -0,439

-2,65 2,65 -0,894 -5,544 -7,161

2,576 -2,576 0,867 5,427 7,054

9,656 9,656 9,962 8,374 7,053

Таблица 3. Геометрические параметры на главной и вспомогательной режущих кромках при базовых параметрах:  = 45°; N = 10°; 0 = 0° и повороте пластин на опорной поверхности на 30° Квадратная Треугольная Ромбическая Пятигранная Шестигранная

74,622 74,622 74,622 74,622 74,622

-8,715 -8,715 -8,715 -8,715 -8,715

8,65 8,65 8,65 8,65 8,65

4,981 4,981 4,981 4,981 4,981

132

14,619 45 24,716 -3,463 -15,378

-5,096 0 -3,498 -7,516 -8,715

4,981 0 3,405 7,415 8,65

8,649 10 9,391 6,672 4,981

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Таблица 4. Геометрические параметры на главной и вспомогательной режущих кромках при базовых параметрах:  = 45°; N = 5°; 0 = 0° Квадратная Треугольная Ромбическая Пятигранная Шестигранная

45° 45° 45° 45° 45°

-5 -5 -5 -5 -5

5 5 5 5 5

0 0 0 0 0

45 75,095 55,037 26,936 14,905

0 2,512 0,874 -1,554 -2,512

0 -2,498 -0,867 1,543 2,498

5 4,329 4,924 4,755 4,329

Таблица 5. Геометрические параметры на главной и вспомогательной режущих кромках при базовых параметрах:  = 45°; N = 15°; 0 = 0° Квадратная Треугольная Ромбическая Пятигранная Шестигранная

45° 45° 45° 45° 45°

-15 -15 -15 -15 -15

15 15 15 15 15

0 0 0 0 0

45 75,551 55,345 26,408 14,133

0 7,828 2,755 -4,833 -7,827

0 -7,439 -2,576 4,588 7,439

15 12,95 14,76 14,25 12,95

Таблица 6. Геометрические параметры на главной и вспомогательной режущих кромках при базовых параметрах:  = 45°; N = 10°; 0 = 5° Квадратная Треугольная Ромбическая Пятигранная Шестигранная

45° 45° 45° 45° 45°

-10,037 -10,037 -10,037 -10,037 -10,037

9,963 9,963 9,963 9,963 9,963

5 5 5 5 5

44,12 74,625 54,258 26,015 14,062

-5,154 0,656 -3,312 -7,987 -9,427

5,00 -0,631 3,199 7,838 9,323

9,962 11,151 10,69 7,908 6,098

Таблица 7. Геометрические параметры на главной и вспомогательной режущих кромках при базовых параметрах:  = 45°; N = 10°; 0 = 10° Квадратная Треугольная Ромбическая Пятигранная Шестигранная

45° 45° 45° 45° 45°

-10,151 -10,151 -10,151 -10,151 -10,151

9,851 9,851 9,851 9,851 9,851

10 10 10 10 10

43,246 73,667 53,29 25,428 13,702

-10,3 -3,937 -8,456 -12,741 -13,695

10,00 3,72 8,127 12,59 13,64

9,847 13,587 11,453 6,257 3,513

Как видно из таблиц 1 – 3, изменение главного угла в плане не позволяет увеличить количество устанавливаемых на одну державку типоразмеров МНП. В таблицах жирным шрифтом выделены значения, не удовлетворяющие ограничениям. Изменение главного заднего нормального угла (см. табл.4, 5) в рассматриваемом диапазоне также не позволяет обеспечить установку треугольной и ромбической пластин, но при этом уменьшение заднего угла приближает значения геометрических параметров рабочей части к допускаемым. Увеличение угла наклона главной режущей кромки до 5° (см. табл. 6) позволяет производить установку квадратной, пятигранной, шестигранной и ромбической пластин на державке с соответствующей опорной поверхностью. Увели-

133

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

чение же до 10° угла наклона главной режущей кромки позволяет нам устанавливать все рассматриваемые разновидности МНП. Однако, как известно из технической литературы, при значениях угла наклона главной режущей превышающих 5° возрастает сила резания. В связи с этим, считаем рациональным повышать угол наклона главной режущей кромки лишь до 5° при уменьшении главного заднего угла, что позволит обеспечить установку всех рассматриваемых типоразмеров пластин. Методом подбора определили одно из рациональных сочетаний базовых параметров:  = 45°; N = 8°; 0 = 5°, которые обеспечивают геометрию рабочей части, удовлетворяющую граничным условиям (табл. 8). Таблица 8. Геометрические параметры на главной и вспомогательной режущих кромках при базовых параметрах:  = 45°; N = 8°; 0 = 5° Квадратная Треугольная Ромбическая Пятигранная Шестигранная

45° 45° 45° 45° 45°

-8,03 -8,03 -8,03 -8,03 -8,03

7,97 7,97 7,97 7,97 7,97

5 5 5 5 5

44,298 74,621 54,377 26,268 14,33

-5,098 -0,362 -3,624 -7,303 -8,375

5 0,353 3,541 7,224 8,326

7,969 9,419 8,724 6,023 4,387

Определим значения, характеризующие положение опорной поверхности гнезда державки, соответствующие рациональным базовым геометрическим параметрам tg пр = − sin tg0 − cos tg N sec 0 ; tg п = costg0 − sin tg N sec 0 ,

откуда пр = -9,181°, п = -2,17°. Таким образом, рациональным сочетанием базовых параметров является:  = 45°; N = 8°; 0 = 5°, а соответствующее выполнение опорной поверхности гнезда державки с углами пр = -9,181° и п = -2,17° позволит устанавливать сменные вставки с пластинами всех рассматриваемых типоразмеров. Список литературы: 1. Патент України на винахід №77712 С2 МКІ В23 В27/16. Токарний різець/ Матюха П.Г., Скринніков В.С., Холод В.М. Опубл.

15.01.2007. Бюл. № 1. 2. Матюха П.Г., Гринёв Ю.А. Определение геометрических и конструктивных параметров режущей части универсально-сборного резца //Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонГТУ, 2001. Вып. 17 – С. 85 – 89. 3. Гринёв Ю.А., Матюха П.Г. Исследование изменения геометрических параметров универсально-сборных резцов с поворотной режущей частью //Вісник Сумського державного університету. Науковий журнал. Серія технічні науки (технологія машинобудування). – Суми : Видавництво СумДУ, №2 (35). 2002, - С. 36 – 40.

134

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

УДК 621.95 РАСЧЕТ ВЛИЯНИЯ СМЕЩЕНИЯ ОСИ СВЕРЛА НА ПЛОЩАДЬ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ Хмиров Н.А., Коваленко В.И. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Аннотация. В статье приведены данные по вибрациям в процессе сверления, которые в значительной степени предопределяют процесс обработки, рассмотрен процесс увода оси отверстия, приведены статические уравнения равновесия двухлезвийного инструмента, формулы определения площади срезаемого слоя, рассмотрена схема влияния увода сверла на площадь срезаемого слоя, получены численные значения площади срезаемого слоя с учетом увода оси инструмента. Ключевые слова: вибрация, увод оси, шаг, площадь, срезаемый слой.

1. Введение Возникающие в процессе сверления вибрации в значительной степени предопределяют процесс обработки, оказывая влияние на точность обрабатываемых поверхностей, стойкость инструмента, площадь срезаемого слоя. Целью работы является выявление закономерностей изменения сечения и площади срезаемого слоя в зависимости от процесса сверления. Получение отверстий с повышенными требованиями по точности посредством концевых мерных многолезвийных инструментов является весьма сложной технологической задачей. На практике, как правило, при проектировании технологических процессов технологи используют различные справочные данные. В этих материалах, обычно, отсутствуют какие-либо конкретные данные об отрицательном влиянии вибраций на точность формообразования отверстий, хотя в ряде литературных источников указано, что неотъемлемым свойством резания металлов как технологического процесса является наличие вибраций [1], вызванных самим ходом процесса или внешними возмущающими факторами. Площадь сечения срезаемого слоя является основным и решающим фактором при определении силы резания, которая возрастает прямо пропорционально увеличению глубины резания и несколько медленнее при увеличении подачи. Сопротивление металлов резанию увеличивается с увеличением площади сечения срезаемого слоя, причем увеличение ширины его вызывает большее увеличение усилия резания, чем увеличение толщины. При сверлении с увеличением диаметра сверла увеличивается площадь сечения срезаемого слоя. При этом увеличивается теплоотвод от режущих кромок, что способствует увеличению скорости резания. Последнее оказывает большое влияние на стойкость сверла. В связи с этим возникает необходимость создания методики проектирования операций обработки отверстий с учетом возникающих вибраций инструментов, а также определение площади срезаемого слоя.

2. Основное содержание и результаты работы 2.1 Методика проведения исследований Рассмотрим работу двухлезвийного спирального сверла, схема которой представлены на рис. 1. Если в первом приближении пренебречь тангенциальнопоперечными силами и перемещениями, дающими составляющие погрешности при динамической устойчивости процесса, то уравнение статического равновесия двухлезвийного инструмента [2] имеет вид:

135

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Рис. 1. Схема формирования увода оси отверстия в его продольном сечении (а) и определение площадей срезаемых слоев (б) Pyz1l1 − Px1 1 ( ) = Pyz 2 l 2 − Px 2  2 ( ),

(1)

где Pyz1 и Pyz 2 — радиальные составляющие силы резания на первом и втором лезвиях инструмента; Px1 и Px 2 — продольные составляющие силы резания на этих лезвиях; 1 ( ) и  2 ( ) — текущие радиус-векторы вершин этих лезвий;  =  вр t — текущий угол поворота инструмента;  вр - угловая скорость; t - текущее время; l1 = l 2 = l — расстояние от вершин лезвий до полного поворота. При l >> D и при  < 90°, моментами от продольных сил можно пренебречь. Тогда уравнение (1) статического равновесия можно выразить формулой: Pyz1 = Pyz 2 ;

(2)

при этом оно дополняется геометрическим соотношением

1 ( ) +  2 ( ) = D.

(3)

Силы, входящие в уравнение статического равновесия, приблизительно пропорциональны площадям f1 и f 2 срезаемых слоев и коэффициентам K y1 и K y 2 резания инструмента:

136

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Pyz1 = K y1 ∆ 1 = K y1 a1b1 ;

(4)

Pyz 2 = K y 2 ∆ 2 = K y 2 a 2 b 2 ,

(5)

где a1 и b1 — соответственно толщина и ширина срезаемого слоя. Из рис. 1 видно, что площадь срезаемого слоя равна [2]  S  ( ) −  2 ( )  f1 = 1 ( )  + 1 . tg  2 

(6)

2.2 Определение площадей среза для конкретных условий обработки Исходные данные: D=23.6 мм – диаметр обрабатываемого отверстия; L=60мм – длина отверстия; обрабатываемый материал – чугун НВ=196; режущий инструмент - твердосплавное сверло общего назначения с двойным углом при вершине 2φ=118˚; подача S=0,28 мм/об. На рис. 2 приведена схема формирования увода оси отверстия в его поперечном сечении, где Δψ – угловой шаг, е – смещение оси сверла при его повороте на угловой шаг.

Рис. 2. Схема формирования увода оси отверстия в его поперечном сечении Исходя из схемы формирования увода оси отверстия (см. рис.. 2), получим:

 1 = ∆ = 30° − шаг ;  2 = 2 ⋅ ∆ = 2 ⋅ 30° = 60°;

137

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

 3 = 3 ⋅ ∆  = 3 ⋅ 30 ° = 90°. Амплитуда А вибраций выбирается в соответствии с [1]. Примем 2А=0,1мм. При повороте сверла на 90° (то есть на ¼ оборота) элементарная подача ∆S , соответствующая угловому шагу, равна: ∆S = (1/4) (1/3) S= (1/12) S. Cледовательно: е =(1/3) А = (1/3) 0,05 = 0,017 мм.

Рис. 3 Влияние увода сверла на площадь срезаемого слоя

На рис.

3 приведена схема влияния увода сверла на площадь срезаемого слоя (сегменты 1, 2, 3). Для принятых исходных данных определяем площадь срезаемого слоя. Тогда, из формулы (6) получаем:

 S  ( ) −  2 ( )   0,28 11,80 − 11,76  f1 = 1 ( )  + 1 = 11,80  + = 1,91 мм 2   tg  tg 59 ° 2   2   S  ( ) − 1 ( )   0,28 11,76 − 11,80  2 f 2 =  2 ( )  + 2 = 11,76  +   = 1,38 мм 2 tg  2 tg 59 °    

3. Заключение Вследствие возникновения вибраций траектория оси применяемого инструмента искривляется, вследствие чего лезвия сверла срезают разный слой материала. Это является одной из основных причин, определяющих такие факторы, как сопротивление резанию, силы резания, стойкость инструмента. В результате каждое из лезвий сверла снимает разные значения объёма металла. Это значительно влияет на распределение сил резания, воздействующих на лезвия инструмента, и, следовательно, существенно снижает стойкость сверла. Список литературы: 1. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. М., «Машиностроение», 1970, стр. 350. 2. Сергеев С.В. Моделирование точности формирования отверстий при сверлении//СТИН. – 2010. - №9. – С. 33-38.

138

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

УДК 621.9:658.5 ПРИМЕНЕНИЕ СОЖ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ ЛЕЗВИЙНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ Петриков А.В., Полтавец В.В., Иванов А.А. (ДонВПМУ, ДонНТУ,г. Донецк, Украина) Современные смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС), применяемые в металлообработке – неотъемлемая часть всего комплекса средств, обеспечивающего эффективную эксплуатацию металлообрабатывающего оборудования и инструмента, а также качество производимого изделия. При существующем в настоящее время пересмотре взглядов на применение СОТС простого заполнения зоны резания указанным средством уже не достаточно [1]. Наиболее распространёнными СОТС продолжают оставаться смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ). Кроме вида применяемой жидкости, также и способ подачи СОЖ в зону резания вместе с характеристиками её потока оказывают существенное влияние на производительность процесса, охлаждение инструмента, удаление стружки, снижение количества пыли, точность и качество обрабатываемой поверхности детали [2]. При современном, динамично растущем уровне металлообработки одновременно повышаются и требования к СОЖ, а именно, многофункциональность и одновременное эффективное выполнение нескольких действий. Одним из прогрессивных методов применения СОЖ является её подача в зону резания под давлением через точно направленные отверстия (сопла) в теле инструмента. Долгое время подобный способ подачи СОЖ являлся слишком сложным в осуществлении, но со временем системы подачи СОЖ под высоким давлением (НРС – High pressure coolant) положительно зарекомендовали себя. Подача СОЖ под давлением положительно влияет на физикомеханические и тепловые показатели процесса обработки: распределение и отвод тепла из зоны резания, процессы формирования и дробления стружки, налипание обрабатываемого материала на поверхность инструмента [3]. Изучение литературных источников показало, что исследованиями в этой области активно занимаются компании, которые лидируют в сфере изготовления инструмента с внутренней сопельной подачей жидкости. Компания Sandvik Coromant предлагает семейства инструментов CoroTurnHP, CoroMill и CoroDrill, которые в сочетании с модульной инструментальной системой Coromant Capto изначально разрабатывались для подачи СОЖ под высоким давлением [1]. Компания Iscar разработала семейства инструментов: Cut-grip – для канавочно-токарной обработки, семейства Isoturn и Heliturn – для продольного и торцевого точения, Tang-grip – для отрезки и точения канавок, Pentacut – для прорезки, точения канавок и отрезки [4]. Указанные компании разработали ряд конструктивных решений для обеспечения подачи СОЖ в зону резания под высоким давлением через тело инструмента. Конструктивной особенностью инструментов системы CoroTurnHP является высокоточное расположение сопел в теле инструмента под определенным углом, причем величина этого угла назначается исходя из условия, чтобы жидкость, выходящая из сопел, покрывала непосредственно саму зону резания, т.е. попадала на главную и вспомогательную режущие кромки инструмента (рис. 1).

139

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Рис. 1. Подача СОЖ через тело инструмента в инструментальной системе CoroTurn HP [1] Характеристиками системы подачи СОЖ под высоким давлением HPC являются давление, расход жидкости, а также диаметр отверстия сопла. Принцип, на котором основан эффект HPC, заключается в следующем: чем меньше диаметр отверстия сопла, тем больше скорость потока на выходе. Чем больше диаметр сопла, тем больший расход жидкости необходим, и наоборот. Кроме того, количество сопел (если их несколько) будет также влиять на давление жидкости на выходе [1]. Согласно теории Бернулли, выражающей зависимость между давлением, скоростью и расходом жидкости, в случае, когда жидкость переходит из трубы с большим диаметром в трубу с меньшим диаметром (рис. 2), обеспечиваются необходимые условия для получения высокоскоростного потока жидкости. Чем больше диаметр выходного отверстия (сопла системы подачи СОЖ), тем больший расход жидкости необходим для обеспечения требуемого давления. Количество сопел в токарных резцах может колебаться от 2 до 3. При фрезеровании количество сопел, а соответственно, и расход жидкости увеличивается в зависимости от количества режущих пластин, установленных на фрезе. При сверлении важным выходным параметром процесса является не только охлаждение и смазывание контактирующих поверхностей, но и облегчение отвода стружки. Немаловажным требованием для более эффективного действия потока Рис. 2. Влияние площади сечения СОЖ является получение ламинарного трубы на скорость потока жидкости истечения жидкости из сопла. Сопла для подачи СОЖ в специализированных инструментах для HPC заранее настроены, зафиксированы в корпусе инструмента и не требуют дополнительной регулировки. Также конструкция инструментальной системы предусматривает использование специальной инструментальной оснастки, обеспечивающей подачу СОЖ в каналы в корпусе инструмента (рис. 3).

140

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Подача СОЖ под высоким давлением положительно сказывается на качественных и количественных показателях обработки нержавеющих и низкоуглеродистых сталей, но максимальный эффект при использовании этого технологического решения достигается при резании более труднообрабатываемых материалов, такие как титановые и жаропрочные сплавы [5]. Перечисленные выше преимущества позволяют добиться более эффективного использования оборудования, рабочего времени и улучшения всего процесса обработки, обеспечивая тем самым быстрый возврат вложенных средств. Оптимизированная система обРис. 3. Механизм закрепления то- работки на станке с использованием HPC карного инструмента с возможностью по- может окупиться за несколько месяцев дачи СОЖ под высоким давлением в кана- [5]. Модернизация станка с целью ослы в теле инструмента [1] нащения станцией подвода СОЖ под высоким давлением возможна и при эксплуатации оборудования на производстве, но экономически целесообразно устанавливать данную опцию при заказе оборудования на предприятии-изготовителе. Это обусловлено сложностью замены и модернизации стандартных узлов в системе подачи СОЖ станка. Таким образом, применение подачи СОЖ под высоким давлением следует рассматривать как способ повышения эффективности различных технологических операций при фрезерной и токарной обработке, что позволяет увеличить производительность, повысить качество поверхностей изделия при механической обработке с различной серийностью производства. Список литературы: 1. Обработка с СОЖ под высоким давлением (HPC) – повышение производительности и стабильность обработки. – AB Sandvikens Tryckeri: 2010.06. – 48 с. 2. Смазочно-охлаждающие технологические средства. Справочник / Под ред. Л.В. Худобина. – М.: Машиностроение, 2006. – 543 с. 3. Богуславский В.А. Повышение производительности обработки труднообрабатываемых материалов с применением смазочно-охлаждающих жидкостей / В.А. Богуславский, Т.Г. Ивченко, Сахби Зантур // Научные труды Донецкого национального технического университета. Серия: Машиностроение и машиноведение. Выпуск 7 (166). – Донецк: ДонНТУ, 2010. – С. 916. 4. Новые технологии ISCAR: Инструмент с подачей СОЖ под давлением // Информационно-аналитическое издание «Инструменты и факты» [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://xn----7sbhvkd1aaohgm.xn--p1ai/m-article/59---iscar------- (дата обращения: 05.04.2013). 5. Преимущества подачи СОЖ под высоким давлением //Экспозиция металлообработка. Научно-техн. журнал. – 2012. – № 2 (93). – С. 16-17.

141

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

УДК 621.9.025 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ ПРИ ТОЧЕНИИ СТАЛИ 12Х18Н10Т ТВЁРДОСПЛАВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ С TiNПОКРЫТИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ СОТС Сидорова Е.В., Бугай Я.Ю. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Тел./Факс: +38 062 305 01 04, E-mail: sydorova@gmail.com Аннотация. Выполнено определение среднего коэффициента трения при точении аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т твёрдосплавным инструментом с TiN-покрытием с использованием различных видов СОТС. Ключевые слова: точение, усадка стружки, средний коэффициент трения, СОТС, TiN-покрытие.

1. Введение Функции смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) [1] (смазывающая, охлаждающая, диспергирующая, моющая, демпфирующая, защитная) состоят в повышении эффективности процесса точения посредством увеличения производительности, повышения стойкости инструмента, улучшения качества обрабатываемой поверхности, что приводит в конечном счете к снижению стоимости металлообработки вследствие уменьшения затрат на режущий инструмент, сокращению брака и простоев станков, связанных с заменой затупившегося инструмента. Для рационального выбора СОТС необходимо предварительно выполнить оценку его технологических свойств. В данной работе рассматривается одно из основных свойств СОТС - смазывающий эффект. Способ оценки данного эффекта был рассмотрен в работе Рыкунова А.Н. [2], который позволил непосредственно на производстве, в реальных конкретных технологических условиях и в кратчайшее время осуществлять сравнение триботехнических характеристик различных пар трения. Мигранов М.Ш. в своей докторской диссертации [3] с помощью методов неравновесной термодинамики разработал информационную базу данных по триботехнических и технологическим характеристикам, позволяющую оперативно с помощью компьютерных программ автоматизировать и рационализировать по износостойкости выбор инструментальных материалов, PVD-покрытий, СОТС и режимов резания. Наибольшее внимание обратил на себя метод определения среднего коэффициента трения, представленный в работе Фоменко Р.Н. [4], который достаточно легко и быстро реализуется в производственных условиях. Целью данной работы является определение среднего коэффициента трения при точении аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т твёрдосплавным инструментом с TiN-покрытием при использовании различных видов СОТС. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - определить размеры стружки после точения стали 12Х18Н10Т при использовании различных видов СОТС; - определить коэффициент усадки стружки; - определить средний коэффициент трения.

2. Основное содержание и результаты работы Экспериментальные исследования выполнялись на токарном металлорежущем станке с ЧПУ модели 16К20Ф3. В качестве инструмента использовали твердосплавные пластины Т5К10 с TiN-покрытием (передний угол γ = 0°; задний угол

142

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

α = 7°; главный угол в плане φ = 45°; вспомогательный угол в плане φ1 = 45°).Во всех исследованиях рассматривалось продольное точение (v = 125 м/мин, s = 0,3 мм/об, t = 1 мм) аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т с использованием следующих СОТС: Унизор-М, Ферробетол-М, ЭкоЭМ-1, STARCUT E9, SAFECUT M120. Средство «Унизор-М» (5%-ный синтетический раствор «Унизор-М» на базе водорастворимых олигомеров, ПАВ, функциональных присадок с включением ингибиторов коррозии и биоцидов) вида MAG сочетает в себе, по отношению к другим рассматриваемым СОТС, высокие охлаждающие и низкие смазывающие свойства. Средство «Ферробетол-М» (5%-ная эмульсия «Ферробетол-М» на базе растительных и минеральных масел, ПАВ и антифрикционных присадок) вида MAB является эмульсией по типу «масло в воде» с антифрикционными присадками и обладает высокими смазывающими свойствами, но низкими охлаждающими. Средство «ЭкоЭМ-1» (5%-ная полусинтетическая микроэмульсия «ЭкоЭМ-1» на базе растительных и минеральных масел, ПАВ и антифрикционных присадок) вида MAF является полусинтетической микроэмульсией по типу «масло в воде» с антифрикционными присадками и обладает высокими смазочными свойствами и средними охлаждающими. Средство «STARCUT E9» (5%-ная эмульсия «STARCUT E9» на базе минеральных масел и присадок высокого давления) вида MAA является эмульсией и обладает средними смазывающими и низкими охлаждающими свойствами. Средство «SAFECUT M120» (5%-ная полусинтетическая микроэмульсия «SAFECUT M120» на базе минеральных масел, функциональных присадок с включением ингибиторов коррозии и биоцидов) вида MAE является полусинтетической микроэмульсией и включает в себя средние охлаждающие и смазывающие свойства. Подача СОТС осуществлялась посредством насосов ПА-22 (мощность 120 Вт, расход 22 л/мин) на заднюю поверхность режущего инструмента. Средний коэффициент трения при точении согласно [4] , где γ – передний угол резца; B = tgβ1 – величина, характеризующая степень пластических деформаций металла снимаемого припуска и поверхностного слоя обрабатываемой детали; β1 – угол наклона условной плоскости сдвига. При этом величина β1 была определена из формулы с учетом известной из опыта величины поперечной усадки стружки ka . Виды стружек, полученные при подаче различных видов СОТС, представлены в таблице 1.

143

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Таблица 1. Стружкообразование при точении стали 12Х18Н10Т без СОТС Унизор-М Ферробетол-М

ЭкоЭМ-1

STARCUT E9

SAFECUT M120

Согласно экспериментальным исследованиям коэффициенты усадки стружки для рассматриваемых условий точения при использовании средства «Унизор-М» - 2,4; «Ферробетол-М» - 1,9; «ЭкоЭМ-1» - 2,0; «STARCUT E9» - 2,2; «SAFECUT M120» - 2,2. Тогда, согласно вышеприведенным зависимостям, средний коэффициент трения при точении с использованием средства «Унизор-М» - 0,41; «Ферробетол-М» - 0,31; «ЭкоЭМ-1» - 0,33; «STARCUT E9» - 0,38; «SAFECUT M120» - 0,38. Заключение. Представленный метод позволил быстро и без применения специального оборудования определить ориентировочные значения среднего коэффициента трения при точении аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т твёрдосплавным инструментом с TiN-покрытием с использованием различных видов СОТС. При применении «Унизор-М» средний коэффициент трения составил 0,41; «Ферробетол-М» - 0,31; «ЭкоЭМ-1» - 0,33; «STARCUT E9» - 0,38; «SAFECUT M120» - 0,38. Список литературы : 1. ABC du graissage [Электронный ресурс] / Castrol. – Режим доступа: http://www.castrol.com/liveassets/bp_internet/castrol/castrol_switzerland/STAGING/local_as sets/downloads/a/ABC_F_Mai_2009.pdf - (06.09.2013). 2. Рыкунов, А.Н. Сравнительная экспресс-оценка триботехнических характеристик зоны резания / А.Н. Рыкунов // Инструмент и технологии. – 2005. - № 11-12. – С. 159-161. 3. Мигранов, М.Ш. Повышение износостойкости инструментов на основе прогнозирования процессов адаптации поверхностей трения при резании металлов: автореф. дис. д-ра техн. наук: 05.03.01 / Мигранов Марс Шарифуллович; Уфимский государственный авиационный технический университет. – Зашита 22.05.07. – Москва, 2007. –34 с. 4. Фоменко, Р.Н. Исследование влияния износостойких покрытий инструмента на различные параметры процесса резания при точении/ Р.Н. Фоменко // Вестник УГАТУ. Машиностроение – 2009. – Т. 12. № 4 (33). – С. 51-55.

144

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

УДК 621.923 ВЫБОР ГЕОМЕТРИИ ТОРЦОВОГО ШЛИФОВАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА Устименко А.С., Байков А.В. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) При обработке лицевой поверхности облицовочных плит из природного камня необходимо обеспечить требуемую величину неплоскостности поверхности. На этапах финишной обработки на равномерность съема материала существенное влияние оказывает геометрия рабочей поверхности шлифовального инструмента, в частности, закон изменения вдоль радиуса инструмента коэффициента заполнения алмазоносного слоя. На основании физико-механического подхода к проблеме формообразования поверхностей [1, 2] при торцовом шлифовании съем на каждой элементарной площадке контакта инструмента и заготовки определяется зависимостью:

dz = Cm p k V , dt где z - линейный съем в данной точке поверхности детали; C m - постоянная, характеризующая конкретные условия обработки (зернистость и твердость инструмента, свойства обрабатываемого материала и т.д.), Мпа-1; p - удельное давление в зоне резания, МПа; k - коэффициент заполнения инструмента [2, 3, 4]; V - средняя скорость относительного движения инструмента и детали, м/с; t - время, с. Величина коэффициента заполнения в каждой кольцевой зоне инструмента зависит от требуемой производительности обработки, кинематических параметров резания и геометрии инструмента. Исследование влияния вышеперечисленных факторов на величину и характер изменения коэффициента заполнения проводились для инструмента с размерами, соответствующими размерам алмазной головки АПГ 320: наружный диаметр D=320 мм, диаметр отверстия d=112 мм при условии, что в диапазоне b=56…135 мм величина съема постоянна. Расчеты проводились с использованием ППП MathCAD 7.0 Исследования показали, что с изменением частоты вращения инструмента значение коэффициента заполнения в различных кольцевых зонах пропорционально изменяется, а характер распределения 1 вдоль радиуса инструмента сохра0.978 няется неизменным. Зависимость коэффициента заполнения инструK1 ( n ) мента в различных сечениях от K2 ( n ) 0.5 частоты вращения инструмента K3 ( n ) представлена на рисунке 1. Зависимость носит обратно пропорциональный характер, что вполне объ0.318 0 яснимо, так как величина съема ма10 20 30 40 териала пропорционально зависит 16 n 35 и от коэффициента заполнения, и 1/s от средней скорости контакта поРис. 1. Зависимость коэффициента заверхности заготовки и инструменполнения от частоты вращения та, определяемой частотой вращения последнего.

145

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Величина подачи инструмента на характер распределения коэффициента заполнения вдоль радиуса инструмента так же, как и скорость, не влияет, однако влияет на значение коэффициента заполнения и это влияние прямо пропорциональное (рис. 2). Это связано с тем, что величина подачи определяет время контакта элементарной площадки на поверхности заготовки с поверхностью шлифовального круга: с увеличением подачи время контакта уменьшается, следовательно, уменьшается количество актов взаимодействия абразивных зерен с обрабатываемым материалом. Таким образом, для сохранения производительности обработки необходимо увеличивать величину коэффициента заполнения инструмента.

0.978

1

0.782 K1( R )

K1( s ) K2( s )

K2( R )

0.5

0.5

K3( R )

K3( s )

0.299

1

0.201

50

0 150

50

160

0 20 20

30

40 s mm/s

Рис. 2. Зависимость коэффициента заполнения от величины подачи

200

250 R mm

300 280

Рис. 3. Зависимость коэффициента заполнения от радиуса инструмента

При варьировании радиуса инструмента изменение коэффициента заполнения вдоль радиуса имеет одинаковый характер для всех рассматриваемых значений, различаются только численные значения. Величина значений коэффициента заполнения в соответствующих зонах с увеличением радиуса инструмента обратно пропорционально уменьшается (рис.3). Это объясняется тем, что с увеличением радиуса инструмента увеличиваются и скорость, и время контакта элементарных площадок обрабатываемой поверхности и поверхности инструмента. Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что характер изменения коэффициента распределения алмазоносного слоя вдоль радиуса инструмента определяется только законом распределения величины съема материала в сечении, перпендикулярном направлению подачи. Численное значение величины коэффициента распределения зависит от режимных параметров обработки и геометрических размеров инструмента. Список литературы: 1. Крагельский И. В. Основы расчетов на трение и износ / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин, В. С. Комбалов. - М. : Машиностроение, 1977. – 526 с. 2. Рогов В. В. Финишная алмазно-абразивная обработка неметаллических деталей / В. В. Рогов. - К. : Наук. Думка, 1985. - 264 с. 3. Сидорко В. И. Теоретический анализ износа рабочего слоя инструмента для финишной обработки деталей из природного и синтетического камня / В. И. Сидорко // Сверхтвердые материалы. - 2006. - № 2 - С.

64-71 4. Скрябин В. В. Характер износа рабочего слоя инструмента при финишной обработке плоских поверхностей изделий из алюмосиликатных материалов / В. В. Скрябин, В. И. Сидорко, Ю. Д. Филатов // Сверхтвердые материалы. - 2004. - № 4.

- С. 69-74.

146

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

УДК 621.91.01 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЛАПЛАСА В ИССЛЕДОВАНИИ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Харахашьян А.М. (ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, Россия) Аннотация. Отработана методика определения температурных полей в системе «режущий инструмент – заготовка» с использованием преобразования Лапласа. Результат верифицирован путем сопоставления с предельным стационарным решением, общефизическими соображениями и данными технического эксперимента. Предполагается развитие методики на реалистичные многомерные постановки. При резании металлов тепловой режим системы «режущий инструмент – деталь» определяет срок службы резца и качество обработки материала. Поэтому исследования тепловых режимов резания являются крайне актуальной задачей. Температурные поля в инструменте и детали описываются дифференциальным уравнением с частными производными [13]. Поиск решения этого уравнения с конкретизирующими начальными и граничными условиями является достаточно сложной задачей, а современные системы символьных вычислений позволяют получить решение только в простейших случаях. Значительно упрощает вычисления интегральное преобразование Лапласа, состоящее в сведении дифференциального уравнения с частными производными к обыкновенному дифференциальному уравнению. Физически состоятельные допущения позволяют рассматривать задачу о тепловом режиме резца как задачу нагрева полуограниченного стержня, на конце которого задан тепловой поток, а поверхность подвержена теплоотдаче с коэффициентом b. Соответствующее уравнение имеет вид:

∂T ∂ 2T =a − bT , (1) ∂t ∂x 2 Без потери общности можно окружающую и начальную температуру стержня ∂T (0, t ) q = − , T (0, t ) = 0 . считать нулевой, т.е. T ( x, 0 ) = 0 , ∂x  Стационарным решением (1) служит: b

a − ax T (x ) = e .

(2)  b Интерес для анализа и моделирования представляет нестационарное решение, зависящее от времени. Стационарное решение позволяет судить о процессах, происходящих в стержне лишь на большом промежутке времени, в то время как нестационарное решение даёт возможность рассматривать их даже на малых временных промежутках. Применив прямое преобразование Лапласа к уравнению (1), получим: q

sU − T (x, 0) = a

∂ 2U

− bU ∂x 2 ∂ 2U s+b −U =0 .  a  ∂x 2 Общее решение этого уравнения имеет вид: U ( x, s ) = C1e

s +b x a

147

+ C2e

−

s +b x a

(3)

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

s +b

s +b

x s+b s+b − a x U ′( x, s ) = C1 e a − C2 e .

(4) a a Применив преобразование Лапласа к граничным условиям и подставив результат преобразования в (3) и (4), получаем q a q a , C2 = .

(5) C1 = − 2s s + b 2s s + b Получаем решение в пространстве изображений: s +b s +b   x q a  − a x (6) U ( x, s ) = −e a  . e 2s s + b     Произведя обратное преобразование Лапласа и упростив выражение, получаем функцию двух переменных, которая служит решением уравнения (1): bt

T

(x, t)

q =

∫

e− z

2

0



b

dz

t

∫

0

xe

− x 2 − b 4a 3 2

d .

(7)

 С целью проверить решение (7) на рис. показан его выход на стационарное (2) при t → ∞. Полученный результат не противоречит здравому смыслу и неплохо согласуется с количественными данными технического эксперимента. Наиболее сложным этапом решения (1) с использованием преобразования Лапласа является обращение изображения: последнее, как правило, состоит из большого числа функций. Выделить в изображении решения элементы, которые могут быть обращены, достаточно сложно, поскольку требуются дополнительные преобразования [1]. Однако, переход к обыкновенным дифференциальным уравнениям позволяет производить часть вычислений (в том числе и обратное преобразование Лапласа) с Рис. 1. Динамика температурного поля в резце помощью систем символьной с выходом на стационарное математики. Таким образом, автором освоена и отработана методика применения преобразования Лапласа для изучения температурных режимов пространственно одномерной системы «режущий инструмент – заготовка». Перспективным представляется распространение полученных результатов на системы с реалистичной двух- и трехмерной геометрией. Список литературы: 1. Дёч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z-преобразования. М., 1971. 2. Араманович И.Г., Левин В.И. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1969. 3. Шубин М. А. Лекции об уравнениях математической физики. М.: МЦНМО, 2003.

148

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ Понамарёва Е.А., Ищенко А.Л. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И СИНТЕЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СБОРКИ НА ПРЕДМЕТ ОПТИМИЗАЦИИ С УЧЕТОМ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА……………………………………………………3 Тимофеев Д.И., Голубов Н.В. ТЕНДЕНЦИИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ФРЕЗЕРНЫХ ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ЦЕНТРОВ…………………………………………………………8 Чокнадий И.В., Чернышев Е.А ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МАШИН РОТОРНОГО ТИПА………….13 Шурчилова Ю. В., Буленков Е. А. ВЫБОР СТРУКТУРЫ АГРЕГАТНОЙ РОТОРНОЙ МАШИНЫ………….…………….15

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Авакимьянов О.О., Гусев В.В. ПРИМЕНЕНИЕ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ СТАНКА……….…17 Батуев Ц.А., Егодуров Г.С. РАСЧЕТЫ НА ПРОЧНОСТЬ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС РЕДУКТОРА В СРЕДЕ MATHCAD……………………………………………………….………………21 Борзов Д.Б, Корой В.В МЕТОД РАСПАРАЛЛЕЛИВАНИЯ ПРОЦЕДУР ОБРАБОТКИ МАССИВОВ ВНУТРИ ЦИКЛОВ В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММАХ СО СВЯЗЯМИ ПО УПРАВЛЕНИЮ……………………………………………….………26 Гаранина В.М., Холодова С.Н. ИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРЕВА И РАЗРУШЕНИЯ СПУСКАЕМЫХ АППАРАТОВ В ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ………………………….....27 Голубов А.М, Горобець І.О. ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ У СИСТЕМІ ПРИВОДУ ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ ПАКЕТІВ МАТLАВ І SIMULINK…………………………………30

149

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г.

Желуденко А.В ИСЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ КИНЕМАТИЧЕСКИХ СХЕМ И КЛАССИФИКАЦИЯ МПС…………………………………………………………………34 Костюкевич А.Л., Юрченко И.К., Ахонин В.И. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ДНИЩА КОВША РОТОРНОГО ЭКСКАВАТОРА…………………………………………………38 Ладоша Е.Н., Цымбалов Д.С., Яценко О.В. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНТАКТНОЙ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ СВАРКИ...……41 Луковский А.А., Дроженников И.С., Волоховский В.Ю., Шипков А.А.

ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВОГО ВЛИЯНИЯ ТРУБНОГО ПУЧКА НА ЗОНУ СОЕДИНЕНИЯ КОЛЛЕКТОРА И КОРПУСА ПАРОГЕНЕРАТОРА АЭС ВВЭР – 1000…………………………………..………47 Маляренко А.Д., Дробова А.А. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ ТОРГОВЫХ АВТОМАТОВ………………………………………………………..………48 Бережная Е.В., Полтавец В.В. ФОРМАЛИЗАЦИЯ БАЗЫ ЗНАНИЙ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ АБРАЗИВНО-АЛМАЗНОЙ ОБРАБОТКИ………………………………………………..51 Тарасова Е.С., Грубка Р.М. ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ЗУБЧАТОЙ ВТУЛКЕ С ПРОДОЛЬНОЙ МОДИФИКАЦИЕЙ ЗУБЬЕВ ПРИ ОТСУТСТВИИ ПЕРЕКОСА ОСЕЙ ВАЛОВ……………………………………….……..54 Шаповалов Р.Г., Сысоев В.Н. КОМПЛЕКСНАЯ МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ РАБОТ……………………………………………………….56 Bialas K., Buchacz A., Galeziowski D. SEMI-ACTIVE DAMPING IN MECHATRONIC DISCRETE VIBRATING SYSTEMS…59 Monkova Katarina, Hloch Sergej TECHNOLOGICAL DEVICES AND PROCESSES DESIGN WITHIN EDUCATION……………………………………………………………62

ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ Бутенко В.И, Агренин Е.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА ПОВЕРХНОСТНЫХ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЁВ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ

150

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г.

ТРИБОСИСТЕМ………………………………………………...…………………………..67 Король К. О., Івченко Т.Г., Фенік Л.М. ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ЗМІННИХ ПАРАМЕТРІВ МЕХАНІЧНОЇ ОБРОБКИ НА ШОРСТКІСТЬ КРИВОЛІНІЙНИХ ПОВЕРХОНЬ ПІД ЧАС ТОЧІННЯ……………………………………………..………….70 Чофу Ю., Ницуленко Т., Болундуц И.-Л., Тока А. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ЗНАНИЙ О МАРКИРОВКЕ ЧУГУНОВ И СТАЛЕЙ В СИСТЕМЕ СТАНДАРТОВ ГОСТ……………………………………………….…………73 Шейко Е.А., Стельмах Д.Я. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОВЫШЕНИЯ СВОЙСТВ ВНУТРЕННИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ………………………...……78

ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Борзов Д.Б., Гуляев К.А. ВИДЕОКОНФЕРЕНЦСВЯЗЬ: ОБЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ, МЕТОД СЖАТИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЛОВАРЯ…………………………...…….83 Рыбинская Т.А., Зеленина Н.А. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА АКАР ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ОРБИТАЛЬНОГО МАНЕВРИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ…………..86 Исаев Д.С., Михайлов А.Н. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ………………...……..89 Каплуновская А.А., Рыбинская Т.А. СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СКАНИРУЮЩЕЙ ПЛАТФОРМЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА…………………..95 Кульбида О.О., Ищенко А.Л., Феник Л.Н., Понамарёва Е.А. СПОСОБ СБОРКИ ГЛАДКИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ С ЗАЗОРОМ………………………………………………………...…….98 Лахин А.М., Тархов Н.С. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОE ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС НА БАЗЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПОДХОДА………...……..102 Лимаренко Н.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НОЖА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗЁРЕН СОИ НА ЭНЕРГОЁМКОСТЬ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ…………………………………………….105

151

ИНЖЕНЕР, № 14, 2013 г.

Михайлов Д.А., Криволапов А.И. К ВОПРОСУ НАПЫЛЕНИЯ НИТРИД ТИТАНОВЫХ ПОКРЫТИЙ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ………………………………………..109 Пугачёв А.Д. ВОССТАНОВЛЕНИЕ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО СЕРЕБРА БОРГИДРИДОМ НАТРИЯ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ……………………………...….113 Pruteanu O., Carausu C., Gramescu T., Nedelcu D. COLD PLASTIC DEFORMATION OF THE BEARING RINGS RACEWAY…………..118 Польченко В.В., Бондарев В.А. ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЗУБЧАТЫХ МУФТ……………………………..122

ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ Вітохіна Д.В., Брадулов П.Р., Івченко Т.Г. ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНИХ РЕЖИМІВ РІЗАННЯ ІНСТРУМЕНТАМИ З ПОКРИТТЯМ ПІД ЧАС ТОЧІННЯ ВИСОКОМІЦНИХ ЧАВУНІВ…………………125 Исаев Д.С., Таровик А.Б., Михайлов А.Н. ВИБРАЦИОННОЕ РЕЗАНИЕ, КАК РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ ОБРАБОТКИ ТОНКОСТЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ………………………………...…………128 Казаченко К.В., Гринёв Ю.А. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГНЕЗДА ДЕРЖАВКИ РЕЗЦА С АВТОМАТИЧЕСКИ ЗАМЕНЯЕМЫМИ РЕЖУЩИМИ ВСТАВКАМИ…..131 Хмиров Н.А., Коваленко В.И. РАСЧЕТ ВЛИЯНИЯ СМЕЩЕНИЯ ОСИ СВЕРЛА НА ПЛОЩАДЬ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ……………………………………………………………………..135 Петриков А.В., Полтавец В.В., Иванов А.А. ПРИМЕНЕНИЕ СОЖ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ ЛЕЗВИЙНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ…………………………………139 Сидорова Е.В., Бугай Я.Ю. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ ПРИ ТОЧЕНИИ СТАЛИ 12Х18Н10Т ТВЁРДОСПЛАВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ С TiN-ПОКРЫТИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ СОТС…………142 Устименко А.С., Байков А.В. ВЫБОР ГЕОМЕТРИИ ТОРЦОВОГО ШЛИФОВАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА………145 Харахашьян А.М. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЛАПЛАСА В ИССЛЕДОВАНИИ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА……………………………...147

152

Донецкий национальный технический университет

TM

Кафедра “Технология машиностроения” Дон

ДонНТУ, ул. Артема, 58, 83001, Донецк, Украина Тел. (+38 062) 305-01-04, (+38 062) 301-08-05 305-01-04

НТУ

E-mail: tm@mech.dgtu.donetsk.ua

факс. (+38 062)

http://www.dgtu.donetsk.ua

__17.11.2012__№_ _50.5 _ На №________от________

УВАЖАЕМЫЙ КОЛЛЕГА Донецкий национальный технический университет с 2000 года выпускает студенческий научно-технический журнал «Инженер» (свидетельство: серия ДЦ №1550 от 30.03.2000г.). Этот журнал ориентирован на публикацию научных работ студентов, магистрантов, стажеров, молодых специалистов, делающих первые шаги в научной деятельности. Публикации в журнале позволяют приобрести опыт написания научных статей, познакомится с научной деятельностью своих коллег, концепциями развития различных отраслей промышленности. В то же время ученые кафедр, факультетов, научных организаций могут ознакомиться с научными направлениями молодых ученых, актуальностью их разработок, научным и народнохозяйственным значением публикуемых ими материалов. Содержание рукописей должно отражать современные достижения науки и техники в исследуемой области, содержать актуальность работы, постановку задачи, полученные результаты, их практическое значение, выводы. Материалы должны представлять интерес для широкого круга специалистов. Языки представления рукописей: украинский, русский, английский, французский. Издание журнала планируется с периодичностью 3 … 4 номера в год по мере поступления материалов. Данный журнал распространяется по ведущим библиотекам Украины и стран СНГ. ОСНОВНАЯ ТЕМАТИКА ЖУРНАЛА 1. Создание и применение прогрессивных технологий и технологических систем. Нетрадиционные технологии.

2. Информационные технологии.

3. Механизация и автоматизация производственных процессов.

4. Управление качеством, метрология, сертификация.

5. Вопросы экономической теории и практики.

6. Моделирование и расчеты сложных технических систем.

7. Экологические проблемы промышленности. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ Для принятия решения о включении рукописи Вашей статьи в сборник необходимо выслать в адрес редакционной коллегии следующее: • заявку с указанием раздела тематики журнала и сведения об авторах статьи; • рукопись статьи в двух экземплярах (второй экземпляр статьи должен быть подписан всеми авторами); • CD-диск с записью текста статьи и материалов (дополнительно все материалы необходимо выслать по E-mail). ОПЛАТА ПУБЛИКАЦИИ И УЧАСТИЯ В СТУДЕНЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ Публикация статей в данном журнале платная. Стоимость участия в конференции и оплата одной статьи составляет: 120 гривен (10 Евро) – для авторов с Украины; 150 гривен (12 Евро) – для авторов из СНГ; 180 гривен (15 Евро) – для авторов из других стран.

153

Банковские реквизиты: • для авторов из Украины (гривни): Донецкое РУ “ПриватБанк”, т/с 26001185655001, МФО 335496, ОКПО 30206251. Получатель: ЧП “ТЕХНОПОЛИС”. Назначение платежа: За опубликование статьи … (указываются Ф.И.О. авторов), без НДС; • для авторов из стран СНГ (рубли): Получатель: ЧП “ТЕХНОПОЛИС”, счет 26009185655003, идентификационный код 30206251. Банк получателя: ПАО КБ ПРИВАТБАНК, г. Днепропетровск, Украина. Счет банка получателя в банке-корреспонденте: 30111810355550000028. Банк-корреспондент: ОАО Банк ВТБ, г. Москва, Россия, БИК Банкакорреспондента: 044525187, ИНН: 7702070139, номер счета банка-корреспондента в ОПЕРУ ГТУ Банка России 30101810700000000187. Назначение платежа: За опубликование статьи …(указываются Ф.И.О.), без НДС; • для авторов из стран ЕС (евро): Beneficiary: Private Company ‘Technopolis’, account 26002051800127, identification code 30206251. Bank of beneficiary: ‘Privatbank’, Dnepropetrovsk, Ukraine; S.W.I.F.T. PBAN UA 2X. Intermediary Bank: DEUTSCHE BANK AG, FRANKFURT AM MAIN, GERMANY, S.W.I.F.T. DEUTDEFF. Correspondent account: 94701211000. Appointment Payment (Details of Payment): For publication the article … (indicate the last names of the authors); • для авторов из других стран (доллары США): Beneficiary: Private Company ‘Technopolis’, account 26000185655002, identification code 30206251. Bank of beneficiary: ‘Privatbank’, Dnepropetrovsk, Ukraine; S.W.I.F.T. PBAN UA 2X. Intermediary Bank: JPMORGAN CHASE BANK, New York, USA, S.W.I.F.T. CHASUS33. Correspondent account: 001-1-000080. Appointment Payment (Details of Payment): For publication the article … (indicate the last names of the authors); • для почтовых переводов: Украина, 83050, г. Донецк, ул. Шекспира, 13, кв. 37. Михайлову Александру Николаевичу с указанием “За опубликование статьи … (указываются Ф.И.О. авторов), без НДС. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЕНИЮ 1. Текст рукописи статьи от 3 до 7 полных страниц на белой бумаге формата А4 (210х297 мм) с полями: верхнее - 30 мм, нижнее, левое и правое - 25 мм. Страницы не нумеровать (нумерацию можно выполнить карандашом в нижнем правом углу). Рукопись статьи оформить с применением редактора WinWord (не ниже версии 7,0) шрифтом Times New Roman размером 12, распечатать в двух экземплярах с высоким качеством печати.

2. Порядок оформления. Материалы должны отвечать следующей структурной схеме: УДК, название, фамилии и инициалы авторов, сокращенное название кафедры, организации, города, основной текст, выводы, список литературы. Название печатать прописными (жирными) буквами, не отступая от верхнего поля, без переносов, центрировать. Через 1 пустую строку строчными буквами – фамилии и инициалы авторов (жирными), рядом в круглых скобках курсивом – сокращенное название кафедры, организации, города, страны (строку центрировать). Через 1 пустую строку – материалы статьи (язык изложения – по выбору авторов, межстрочный интервал 1). См. образец оформления материалов.

3. Графический материал (рисунки, графики, схемы) следует выполнять размерами не менее 60х60 мм внедренными объектами (по ходу материалов). Все позиции, обозначенные на рисунке, должны быть объяснены в тексте. Позиции на рисунке должны располагаться по часовой стрелке. Под каждым рисунком указывается его номер и название, например: Рис. 3. Схема устройства.

4. Формулы и математические знаки должны быть понятны. Показатели, степени и индексы должны быть меньше основных знаков и выполняться в соответствии с редактором формул Microsoft Equation. Формулы нумеруются (справа в круглых скобках, не отступая от правого поля), только в том случае, если на них в тексте имеются ссылки. Формулы выполняются курсивом. Редактор формул Microsoft Equation. Стиль формул для Microsoft Equation: Full - 12 pt, Subscript/Superscript - 10 pt, Sub-Subscript/Superscript - 8 pt, Symbol - 12 pt, Sub-Symbol - 10 pt.

154

5. Таблицы должны иметь порядковый номер и название и располагаться после упоминания по тексту, например: Таблица 2. Классификация муфт. Таблицы отделяются от основного текста пустой строкой.

6. Список литературы должен быть приведен в конце статьи, через пустую строку от основного текста в соответствии с образцом. Перечень ссылок должен быть составлен в порядке упоминания в тексте. Ссылки на литературу заключается в квадратные скобки.

7. Текст рукописи статьи требуется записать на CD-диск, который нужно подписать следующим образом: фамилии и инициалы авторов, название статьи. Дополнительно все материалы необходимо выслать по E-mail.

8. Материалы рукописи представляются без изгибов.

9. Материалы, не отвечающие перечисленным требованиям и тематике журнала, а также не оплаченные в срок, опубликованы не будут. Образец оформления материалов: УДК 621.01(06) ОСНОВЫ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА СБОРОЧНЫХ СИСТЕМ (пустая строка) Иванов И.И., Петров П.П. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Тел./Факс: +38 (062) 3050104; E-mail: tm@mech.dgtu.donetsk.ua (пустая строка) Аннотация. В статье приведены данные по структурному синтезу сборочных …………………… ………… уравнений описывающих процесс сборки изделий. (курсив, 6 …8 строк) Ключевые слова: структура технологии, синтез, процесс, сборка. (курсив, 5 слов) (пустая строка) 1. Введение Во введении необходимо представить литературный обзор современного состояния вопроса исследования, показать актуальность работы, поставить цель и определить задачи исследований (0,5 … 1,0 страница). (пустая строка 2. Основное содержание и результаты работы Для сборки изделий широко применяются технологические системы [1] ………………….. ………… информационные и другие потоки (рис. 5) могут быть описаны выражением. [4]. (пустая строка) 3. Заключение Таким образом, выполненные исследования позволили реализовать следующее: ……………………………….. отличительной особенностью данной методики. (пустая строка) Список литературы: 1. Ким И.П. Исследование эффективности роторных машин. – К.: КПИ, 1985. – 123 с. 2. Устюгов А.В. Надежность технологических машин. – Донецк: ДонНТУ, 1998. – 425 с. АДРЕС РЕДАКЦИОННОЙ КОЛЛЕГИИ: Редакционная коллегия журнала «Инженер»,. кафедра «Технология машиностроения», ДонНТУ, ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001, Украина. Тел. (+38 062) 305-01-04, (+38 062) 301-08-05; факс - (+38 062) 305-01-04; E-mail: tm@mech.dgtu.donetsk.ua или mntk21@mail.ru http: //www.dgtu.donetsk.ua Председатель редакционной коллегии – А.Н. Михайлов, тел. (+38 062) 305-01-04. Зам. председателя – В.А. Богуславский, тел. (+38 062) 301-08-05. Ученый секретарь – А.В. Байков, тел. (+38 062) 301-08-05.

155

Інженер. Студентський науково-технічний журнал

ISSN 2073-5804

Компьютерная верстка сборника – Кульбида О.О.

Пописано к печати 23.10.2013. Ризографическая печать Уч.-из. л. 10,35

Формат 60х84 1/16 Усл. печ. л. 9,45 Тираж 100 экз.

Бумага XEROX Заказ № 5

Издательство ЧП “Технополис” Свидетельство о внесении в государственный реестр субъекта издательского дела ДК № 1221 от 05.02.2003.

83001, г. Донецк, пр. Дзержинского 1 Тел. +38 062 305-01-04 E-mail: tm@mech.dgtu.donetsk.ua