Инженер 2012

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ

С

ЕТ ИТ

ЦК

И Й УНИВ ЕР

НАЦ ИО ИЙ Н

СК

А

Й ТЕХН ИЧ НЫ Е ЛЬ

«ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ДО НЕ

ИНЖЕНЕР Студенческий научно-технический журнал Основан в 2000 году

№ 13/2012 Донецк – 2012

УДК 62 ББК 30 (Ж/О) И 62 Інженер. Студентський науково-технічний журнал. – Донецьк: ДонНТУ, 2012. - № 13. – 177 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: Іщенко О.Л. 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, 2012

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ Крива В.В., Рыбинская Т.А. (Кафедра механики, ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) На современных промышленных предприятиях особенную актуальность приобретает использование автоматизированных решений, бережливое и безлюдное производство, внедрение новых технологий и устранение вредных факторов, влияющих на здоровье человека. В связи с этим особую популярность завоевывают решения по автоматизации производства на базе промышленных роботов, позволяющих обеспечить полный цикл обработки с высокой производительностью и точностью, избежать перерывов и производственных ошибок, свойственных человеку. История промышленных роботов История рынка промышленной робототехники насчитывает уже более 50 лет. Первый патент на робота был получен в 1961 году (подан в 1954) изобретателем Джорджем Деволом (George Devol), который основал в 1956 году вместе с инженером Джозефом Энгельбергом (Joseph F. Engelberger) компанию по первому серийному производству роботов Unimation Inc (от Universal Automatic – универсальная автоматизация). Энгельберг привлекал в компанию дополнительное финансирование, распространял идеи роботизации среди потенциальных заказчиков и популяризировал идею промышленной автоматизации. Несмотря на то, что патент был закреплен за Деволом, именно Энгельберга принято считать «отцом робототехники». Возможностями автоматизации в первую очередь воспользовались автомобилестроители, и уже в 1961 году начались поставки роботов Unimate на завод General Motors, Нью-Джерси. Роботы Unimate были сконструированы с использованием гидроусилителей и программировались в обобщенных координатах, воспроизводя последовательность действий, записанных на магнитный барабан. Позднее компания Unimation передала свою технологию в Kawasaki Heavy Industries и Guest Nettlefolds, таким образом, открыв производство роботов Unimate в Японии и Англии. Основное развитие промышленных роботов началось в конце 60-х – начале 70-х годов, когда в 1969 году в Стэндфордском университете студент факультета машиностроения Виктор Шейнман (Victor Scheinman) разработал прототип современного робота Stanford arm с шестью степенями свободы, электрическими приводами и компьютерным управлением, отдаленно воспроизводящего возможности человеческой руки. В 1969 году появляются разработки в области робототехники компании Nachi. В 1973 году немецкая компания KUKA Robotics демонстрирует своего первого робота Famulus, и почти одновременно швейцарская компания ABB Robotics выводит на рынок робота ASEA. Оба робота имеют по шесть управляемых осей с электромеханическим приводом. В 1974 году промышленные роботы разрабатываются и устанавливаются на собственное производство в компании Fanuc, а в 1977 году первый робот Yaskawa появляется у компании Motoman. Дальнейший рост промышленной робототехники был обусловлен развитием компьютера, электроники и масштабным расширением компаний на рынке автомобилестроения – основных заказчиков роботов.

3

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

General Motors в 80х годах потратила более 40 миллиардов долларов на разработки в области автоматизации. Основным рынком роботов считается внутренний рынок Японии, на котором находится большинство компаний по их производству: Fuji, Denso, Epson, Fanuc, Intelligent Actuator, Kawasaki, Nachi, Yaskawa (Motoman), Nidec, Kawada. В 1995 году из 700 000 роботов, используемых в мире, 500 000 работали в Японии. В Советском Союзе крупнейшим интегратором робототехники стала компания «АвтоВАЗ». Развивая мощности по выпуску автомобилей и перенимая опыт мировых автомобилестроительных предприятий, в 1984 г. она приобрела лицензию фирмы KUKA. На базе отдельного станкостроительного подразделения концерна «АвтоВАЗ» началось производство отечественных роботов, применяемых на поточных линиях предприятия. На сегодняшний день ОАО «АвтоВАЗ» совместно с МГТУ «Станкин» реализуют программу выпуска линейки роботов для промышленных производств до 1000 единиц ежегодно. Преимущества использования промышленных роботов в производстве Современный промышленный робот-манипулятор в большинстве случаев применяется для замены ручного труда. Так, робот может использовать инструментальный захват для фиксации инструмента и осуществления обработки детали либо держать саму заготовку для того, чтобы подавать ее в рабочую зону на дальнейшую обработку. Робот имеет ряд ограничений, таких как зона досягаемости, грузоподъемность, необходимость избежать столкновения с препятствием, необходимость предварительного программирования каждого движения. Но при его правильном применении и предварительном анализе работы системы робот способен обеспечить производство рядом преимуществ, повысить качество и эффективность рабочего процесса. Для оценки актуальности внедрения робота в процесс обработки приведем ряд преимуществ и недостатков применения робототехники на предприятии: 1. Производительность При применении робота производительность обычно повышается. Прежде всего, это связано с более быстрым перемещением и позиционированием в процессе обработки, также играет роль и такой фактор, как возможность автоматической работы 24 часа в сутки без перерывов и простоев. В случае правильно выбранного применения роботизированной системы производительность по сравнению с ручным производством возрастает в разы или даже на порядок. Следует отметить, что при широкой номенклатуре изделий, постоянных переналадках, необходимости большого количества периферийного оборудования для разных деталей производительность может и снижаться, делая процесс неэффективным и сложным.

2. Улучшение экономических показателей Заменяя человека, робот эффективно снижает затраты на оплату специалистов. Особенно данный фактор важен в экономически развитых странах с высокими заработными платами рабочих и необходимостью больших надбавок за переработку, работу в ночное время и т.д. В случае применения робота или автоматизированной системы в цехе необходимо лишь наличие оператора, контролирующего процесс, при этом оператор может контролировать сразу несколько систем. При первоначальной закупке роботизированная ячейка – достаточно серьезное финансовое вложение, и предприятие заинтересовано в его быстрой окупаемости. Неправильное применение оборудования и ошибки в его комплектации и расстановке могут привести к увеличению времени обработки либо трудоемкости работы, тем самым снизить экономичность производства.

4

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

3. Качество обработки Часто причиной внедрения технологической системы на базе промышленного робота становится необходимость обеспечения заданного в документации на изделие качества обработки. Высокая точность позиционирования промышленных роботов (0,1–0,05 мм) и повторяемость обеспечивают надлежащее качество изделия и устраняют возможность производственного брака. Исключение человеческого фактора приводит к минимизации рабочих ошибок и сохранению постоянной повторяемости на всей производственной программе.

4. Безопасность Применение робота достаточно эффективно на вредном производстве, оказывающем неблагоприятное воздействие на человека, например, в литейной промышленности, при зачистке сварных швов, окрасочных работах, сварочных процессах и т.д. В случаях, когда применение ручного труда ограничивается законодательством, внедрение робота может являться единственным решением. При работе в цехе периметр рабочей зоны ограждается различными устройствами для предотвращения проникновения человека в зону действия робота. Наличие защитных систем является главным и неотъемлемым условием безопасной работы роботизированных систем по всему миру.

5. Минимизация рабочего пространства Правильно скомплектованная ячейка на базе промышленного робота более компактна, чем рабочая зона для выполнения ручных работ. Это достигается более эргономичной конструкцией сборочных кондукторов, небольшим размером места, занимаемого роботом, возможностью его размещения в подвешенном состоянии и т.д.

6. Минимальное обслуживание Современные промышленные роботы, благодаря применению асинхронных двигателей и качественных редукторов, практически не нуждаются в обслуживании. Изготавливаются специальные модели роботов из нержавеющей стали, например, для работы в медицинской и пищевой промышленности, при высоких и низких температурах и в агрессивных средах. Это делает их менее восприимчивыми к окружающей среде и повышает износостойкость оборудования. Применение роботов в отдельных производственных процессах: Сварка Сварка считается наиболее типичным процессом для внедрения роботов. Исторически роботизированная сварка начала широко применяться в автомобилестроении, и в настоящее время практически все автомобильные производства в мире оснащены конвейерами, которые могут состоять из нескольких сотен роботизированных комплексов. По данным исследований, около 20% всех промышленных роботов используются в сварочных процессах (в США около половины). Вторым по значимости применением считается укладка грузов на поддоны, применяемая на предприятиях с высоким объемом продукции, в особенности в пищевых производствах. Аргонодуговая или точечная сварка с использованием робота обеспечивает более высокое качество изделий по сравнению с принятым сварочным процессом ручной или полуавтоматической сварки. Возможности периферийного оборудования позволяют обеспечивать полный контроль процесса, например, реализовать функцию бесконтактного слежения за сварным швом. В настоящее время активно развивается применение роботизированной лазерной сварки, позволяющей лазеру сфокусироваться на точке с варьированием от 0,2 мм, с

5

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

минимизированием теплового воздействия на изделие и высокой точностью и качеством сварки. Возможность выдержать сверхвысокие длины фокусировки (до 2 метров) и тем самым обеспечить дистанционную сварку существенно расширяет границы применимости сварочного процесса и увеличивает производительность изготовления изделия. Лазерная сварка активно применяется в авиастроении, автомобилестроении, приборостроении, медицине и т.д.. Переход на автоматическую сварку с использованием роботов минимизирует время цикла в несколько раз. Это достигается эргономичной конструкцией или модернизацией сварочной оснастки для обеспечения быстрого цикла сбора изделия, высокими скоростями перемещения робота и организацией поточного производства с обеспечением единовременной сборки сварки изделий. Необходимо отметить тот факт, что роботизированные системы являются единственной возможностью совмещения обрабатывающих операций, к примеру, обеспечения плазменного или лазерного раскроя, и последующей сварки с помощью смены горелки или режимов сварки без переустановок детали. Также роботизация сварочного процесса позволяет интегрировать программы сварки в применяемые на предприятии CAD/CAM системы для обеспечения процесса цифрового производства. Загрузка- выгрузка, позиционирование изделий Автоматизация загрузки и выгрузки изделий – процесс, имеющий значение на любом современном производстве с высокой производительностью или большим весом и габаритами изделий. Так, роботы применяются для загрузки заготовок в металлообрабатывающие станки, выгрузки готовых изделий и укладки на соответствующие паллеты. Причем достаточно часто один робот обслуживает сразу нескольких машин и работает с разными изделиями, что удешевляет инвестиции в подобную автоматизацию и расширяет функционал внедряемого робота. В Европе прослеживается тенденция к максимальному увеличению производительности за счет безостановочной круглосуточной работы, внедряется философия безлюдного производства, связанная со стремлением минимизировать расходы на персонал. В СССР робототехника применялась для автоматизации технологических машин, где могут существовать ограничения на труд человека, – штампов, прессов, гальванических ванн, нагревательных печей и т.д. Кроме того, работоспособность человека может быть ограничена весом изделий. Так, для деталей массой от 200 кг требуется применение дополнительного грузоподъемного оборудования. Внедрение автоматизации в литейных и кузнечнопрессовых цехах обусловливается необходимостью устранения тяжелых условий для рабочих и повышения качества производства: выгрузка тяжелых поковок, литейных заготовок, последующее охлаждение, загрузка в штампы для пресса и т.д. Не случайно, третье место применения роботов после загрузки-выгрузки занимает именно совмещение с кузнечнопрессовым и литейным оборудованием. Практически все процессы литья под давлением в Европе сопровождаются автоматизацией с использованием роботов. Применение технологических систем на базе роботов может стать альтернативой использованию обычного специализированного на каком-либо технологическом процессе оборудования. В среднем, цена внедрения робота с установкой и необходимым пакетом для взаимодействия с оборудованием обойдется предприятию в 5 млн. рублей, представляя собой действительно гибкое решение, которое может в будущем использоваться и для

6

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

иных задач или реализовывать вспомогательные операции, к примеру, сортировку различных изделий, удаление заусенцев, сборочные операции и т.д. Металлообрабатывающие процессы с использованием роботов Помимо сварочных и вспомогательных операций роботы могут применяться в самих процессах обработки, выступая альтернативой обрабатывающему оборудованию. Раскрой материала Промышленные роботы активно используются для операций раскроя металла с помощью плазмы, лазера и гидроабразивной резки. В отличие от традиционной установки плазменного раскроя плазменные горелки с применением робота могут осуществлять трехмерную резку, что актуально для обработки металлоконструкций, металлопроката (тавров, двутавров, уголков и т.д.), а также подготовки поверхностей под углом для дальнейшей сварки, вырезки различных отверстий и т.д. Раскрой металла с помощью лазерной резки выступает альтернативой для трехмерного лазерного комплекса, позволяя выполнить любой раскрой в трехмерном пространстве. Данная технология широко используется в автомобилестроении, а также достаточно эффективна для обрезки краев изделий после штамповочных и формовочных операций. Роботизированная ячейка для лазерной резки может использоваться и для лазерной сварки, а также в дальнейшем совмещать двух роботов, использующих один источник. Гидро- или гидроабразивная резка роботом расширяет возможности раскроя до обработки любых трехмерных деталей, повышает производительность. Гидроабразивная резка отличается отсутствием теплового воздействия и возможностью обработки практически любых материалов. Так, гидроабразивная резка роботом используется для вырезки всех отверстий в стали толщиной 3 мм по корпусу автомобиля Renault Espace на заводе во Франции (Romorantin, France). Полный цикл вырезки отверстий занимает 2 минуты 30 секунд. Гибка труб Гибка труб роботом используется в ограниченном виде, представляя собой бездорновую гибку с помощью позиционирования заготовки роботом и использования сопутствующей гибочной головки. Преимуществом такой обработки является высокая скорость изготовления, возможность обработки изделий с уже существующими присоединительными элементами и одновременное совмещение с загрузкой-выгрузкой изделий тем же роботом. Такие системы используются в автомобилестроении, изготовлении металлической мебели и других товаров народного потребления, где применяется бездорновая гибка. Фрезерование, сверление, удаление заусенцев и сварных швов Использование роботов для фрезерования, сверления и обработки кромок металлов, пластмасс, древесины и камня – новая, динамично развивающаяся технология. Она стала возможна прежде всего благодаря увеличению жесткости и точности современных манипуляторов. Основные преимущества заключаются в практически неограниченной рабочей зоне робота (систему можно оборудовать линейной осью в несколько десятков метров), высокой скорости обработки и большом количестве управляемых осей. Например, типичная фрезеровальная ячейка на базе промышленного робота имеет 8 – 10 управляемых осей и позволяет получить максимальную гибкость обработки. Возможно использование самого разного приводного инструмента, пневматического и электрического, с воздушным и жидкостным охлаждением. Для снятия заусенцев с кромок деталей после фрезерования используются пневматический приводной

7

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

инструмент с частотой вращения 35 000 об/мин, а для фрезерования металлов – электрический шпиндель с водяным охлаждением, мощностью 24 кВт. Отдельно стоит упомянуть такой тяжелый, трудоемкий процесс для человека, как зачистка сварного шва на изделии. Применение автоматизации позволяет снизить воздействие вредных производственных факторов и существенно уменьшить время на выполнение зачистки. Полирование и шлифование Шлифование металлических деталей – сложный и грязный процесс, крайне вредный для человека. В то же время его автоматизация довольно проста и не представляет проблемы для современных промышленных манипуляторов. Робот всегда сможет повторить траекторию движения шлифовальщика, обеспечив при этом неизменную повторяемость и отличное качество обработки. Процессы абразивной обработки поверхности можно разделить на два основных класса – шлифование и полирование. При шлифовании используют абразивные круги или ленты, съем материала может быть существенным, образуется много пыли. Полирование – более тонкий процесс, для которого применяются войлочные круги с абразивной пастой, съема материала при этом практически не происходит. Как правило, эти процессы комбинируют. Преимущество робота заключается в том, что он может обрабатывать деталь на нескольких абразивных инструментах поочередно, за одной установкой. Например, сначала снимается поверхностный слой на абразивной ленте, а потом деталь наполировывается на войлочном круге с автоматической подачей пасты. Перспективы применения роботов Достоинство робототехники – гибкость применения и возможность использования в практически неограниченном количестве процессов. Так, например, в авиастроительной отрасли в целях повышения качества при снижении ручного труда роботы начинают применяться в процессах клепки, обшивки фюзеляжа, выкладки композитных материалов, при различных работах в условиях ограниченного пространства. Активно распространяется применение роботов в измерительных системах. В США и Европе роботы используются в камерах очистки изделий под высоким давлением. В России применение роботов пока ограничено. Так, в докризисный 2007 год было внедрено до 200 роботизированных систем с общей численностью около 8000 промышленных роботов по стране. Для примера, за тот же год в США было внедрено около 34 тыс., Европе – 43 тыс., Японии – 59 тыс. роботизированных систем. Причинами отставания являются недостаточная информированность российских технических специалистов и менеджмента предприятий, желание избежать больших затрат на их внедрение, низкая стоимость ручного труда. Вместе с тем, в отличие от стационарного ЧПУ оборудования, робот более широко функциональная система, ориентированная на повышение качества и производительности производства и минимизацию ручного труда, приводящих в конечном итоге к положительному экономическому эффекту и повышению конкурентоспособности предприятия. А потому все больше российских интеграторов готовы решать задачи прикладного внедрения роботов в технологические процессы. Мы надеемся, что в течение ближайших лет концепция «безлюдного производства» в России будет интенсивно набирать обороты. Список литературы: 1. В.И. Захаров, М.П. Васильев. Промышленные роботы. – М.: Машиностроение, 1986. 2. http://myrobot.ru/news/2011/08/20110819_1.php

8

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

МОДЕЛИРОВАНИЕ СБОРОЧНЫХ СИСТЕМ В РАМКАХ ТЕОРИИ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ Кульбида О.О., Ищенко А.Л., Орехович М.А. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Исследование любых систем предполагает построение абстрактных математических моделей, представленных на языке математических отношений в терминах определенной математической теории. Изучение процессов, протекающих в автоматических сборочных системах, исходя из сложности их математического описания, можно проводить в рамках теории массового обслуживания. При этом модели реальных сборочных систем можно строить на основе моделей массового обслуживания, которые делятся на базовые модели сборочных автоматов в виде систем массового обслуживания и модели сборочных линий в виде сетей массового обслуживания [3, 4, 5]. Система массового обслуживания (СМО) для сборки изделий– математический (абстрактный) объект, содержащий один или несколько приборов П, осуществляющих процессы сборки, которые обслуживают потоки поступающих на сборку присоединяемых и базирующих деталей Рп, Рб, и накопитель, в котором проходит процесс выбора приоритета сборки и формируются очереди Об и Оп ожидающих сборки деталей (см. рис.1). Обслуживающий прибор или просто прибор (устройство, линия) – элемент СМО, функцией которого является обслуживание потоков поступающих на сборку изделий, т.е. сборка. В каждый момент времени в приборе на обслуживании (сборке) могут находиться только по одному элементу потоков собираемых деталей. Обслуживание – задержка деталей на некоторое время в обслуживающем приборе. Длительность обслуживания – время задержки деталей в приборе, равное, в общем случае, времени сборки. Накопитель (буфер) – совокупность мест для ожидания деталей перед обслуживающим прибором. Количество мест для ожидания определяет ёмкость накопителя. Детали, поступившие на вход СМО, могут находиться в двух состояниях: в состоянии обслуживания (в приборе); в состоянии ожидания (в накопителе) и иметь соответствующую дисциплину. Детали, находящиеся в накопителе и ожидающие сборки, образуют очередь. Дисциплина буферизации – правило занесения поступающих деталей в накопитель (буфер). Дисциплина обслуживания – правило выбора деталей из очереди для обслуживания в приборе. Обусловливается видом метода сборки. Приоритет – преимущественное право на занесение (в накопитель) или выбор из очереди (для обслуживания в приборе) деталей одного класса по отношению к остальным деталям. Таким образом, СМО включает в себя: • детали, проходящие через систему и образующие потоки; • очереди деталей, образующиеся в накопителях; • обслуживающие приборы. Информационная структурная модель сборочного автомата, как системы массового обслуживания представлена на рис. 1. На сборку поступают два потока деталей – поток базирующих и поток присоединяемых деталей и осуществляется процесс приема деталей. После этого осуществляется процесс выбора приоритета.

9

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

узел обслуживания (А) поток присоединяемых деталей (Рп)

процесс приема присоединяемых деталей (Зп)

процесс выбора приоритета

(Дп)

процесс ожидания в очереди (накопителе) (Оп)

процесс сборки (П)

поток базирующих деталей (Рб)

процесс приема базирующих деталей (Зб)

процесс выбора приоритета (Дб)

процесс контроля ( К)

поток собранных изделий (Ри)

процесс ожидания в очереди (накопителе) (Об) поток несобранных поток несобранных присоединяемых базирующих деталей деталей (Рнп) (Рнб)

Рис.1. Модель сборочного автомата, как системы массового обслуживания Детали с дисциплиной буферизации формируют очередь в накопителе, детали с дисциплиной обслуживания, минуя накопитель, поступают на сборку в обслуживающий прибор. По окончании сборки детали поступают в устройство, осуществляющее процесс контроля. По результатам контроля формируются потоки несобранных базирующих и присоединяемых деталей и поток собранных изделий. Устройства, в которых осуществляются процессы выбора приоритета, процесс ожидания в очереди и обслуживающий прибор образуют узел обслуживания. Каждый из процессов может протекать как в обособленных устройствах, так и в конструктивных частях одного автомата. При объединении автоматов в линию устройства, осуществляющие контроль изделий могут не дублироваться в каждом автомате. Для описания потока деталей, в общем случае, необходимо задать интервалы времени  k  tk  t k 1 между соседними моментами tk и tk 1 поступления деталей с порядковыми номерами k и k  1 соответственно. ( k =1,2,3,…; t0  0 – начальный момент времени). Основной характеристикой потока деталей является его интенсивность λ – среднее число деталей, проходящих через некоторую границу за единицу времени. Величина a  1 /  определяет средний интервал времени между двумя последовательно поступившими на сборку деталями. Поток, в котором интервалы времени  k между соседними деталями принимают определенные заранее известные значения, называется детерминированным [3]. Если при этом интервалы одинаковы, то поток называется регулярным. Для полного описания регулярного потока достаточно задать интенсивность потока λ. Поток, в котором интервалы времени  k между соседними деталями представляют собой случайные величины, называется случайным. Для полного описания случайного потока деталей, поступающих на сборку, в общем случае, необходимо задать законы распределений Аk ( k ) всех интервалов  k ( k =1,2,3,…). Случайный поток, в котором все интервалы  k распределены по одному и тому же закону Аk ( k ) , называется рекуррентным. Поток деталей называется ординарным,

10

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

если в каждый момент времени tk на сборку передается только одна деталь. Если в какой-либо момент времени может появиться более одной детали, то имеем неординарный или групповой поток деталей. Поток деталей называется потоком без последействия, если детали поступают независимо друг от друга, то есть момент поступления очередной детали не зависит от того, когда и сколько деталей поступило до этого момента. Стационарный ординарный поток без последействия называется простейшим. Опишем потоки СМО для сборочного автомата для различных методов организации сборки (используем сокращения, приведенные на рис. 1): Рб, Рп – детерминированный, стационарный ординарный (т.е. простейший), регулярный, рекуррентный поток без последствий.

- сборка методом полной взаимозаменяемости: Ри - детерминированный, регулярный, рекуррентный поток без последствий; Рнп, Рнб – отсутствуют; - сборка селективная: Ри - детерминированный, регулярный, рекуррентный поток без последствий; Рнп, Рнб – отсутствуют; - сборка методом неполной взаимозаменяемости: Ри – случайный поток с ограниченным последствием; Рнп, Рнб – случайный поток с ограниченным последствием; - сборка методом пригонки (этот вид сборки не предпочтителен для автоматизации); - сборка с применением компенсационных звеньев (автоматизация возможна при использовании деформируемого компенсатора) Ри - детерминированный, регулярный, рекуррентный поток без последствий; Рнп, Рнб – отсутствуют. Интервалы времени  k между заявками в простейшем потоке распределены по экспоненциальному закону [1]:

А( )  1  е    . Закон распределения вероятности поступления элементов потока k за некоторый заданный промежуток времени t (закон Пуассона): (  t ) k    t Р(k , t )  e k! . Сборку можно рассматривать как объединение потоков (суммирование Н независимых стационарных ординарных потоков): H

   k . k 1

Вероятностное разрежение простейшего потока, при котором любой элемент потока случайным образом с вероятностью р исключается из потока, ведет к образованию потока интенсивностью    p   . Поток исключенных элементов (простейший) имеет следующую интенсивность:    (1  p)   . Интенсивность сборки может быть описана следующим выражением: 1   , где b - время сборки. b Интенсивности потоков Рп и Рб имеют линейную зависимость. Тогда интенсивности поступления потоков в узел обслуживания А:

11

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

п   пб  п и б   пб  б где  пб - коэффициент пропорциональности интенсивности потоков Рп и Рб.  y    b  Нагрузка на узел обслуживания определяется как .

K 1   Ti T  K  T i 1 ,

  lim

Коэффициент загрузки сборочного автомата: где Т – время процесса сборки; К – количество узлов обслуживания в автомате; Ті – время выполнения операции, осуществляемой в узле. Вероятность возникновения элементов потоков несобранных деталей Рнб, Рнп: N (T )  н  lim н T   N (T ) где N (T ) - число элементов потоков Рб, Рп, поступивших в узел за время Т; N н (T ) - число элементов потоков Рнб, Рнп, возникших в узел за время Т.

N (T )  0  (1   н )  lim 0 T   N (T ) Вероятность сборки: , где N 0 (T ) - число элементов потока собранных изделий Ри, возникших в узле за время Т.     0    (1   н )   . Производительность (интенсивность) СМО: Интенсивность потоков Рнб, Рнп:     y    (1   0 )  

  , тогда     н  б .

(1   н )  y   b   К К . Коэффициент загрузки узла: или  0 1н   К y Тогда вероятность сборки: .

 Среднее время ожидания сборки в очереди:

 b 1  . u

b 1  .

Среднее время пребывания потоков в СМО (при А=1): Приведенные зависимости позволяют описать процессы сборки для различных типов производства, для различных соединений и могут служить основой для составления оптимизационных моделей процессов по критерию времени сборки. Список литературы: 1. Новиков М.П. Основы технологии сборки машин и механизмов / Новиков М.П. – М.: Машиностроение, 1980. – 592 с. 2. Лебедовский М.С. Научные основы автоматической сборки / Лебедовский М.С., Вейц В.Л., Федотов А.И. – Л.: Машиностроение, 1985. – 316 с. 3. Алиев Т.И. Основы моделирования дискретных систем. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. – 363 с. 4. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. Пер. с англ. / Пер. И.И. Грушко. – М.: Машиностроение, 1979. – 432 с. 5. Жерновий Ю. В. Імітаційне моделювання систем масового обслуговування: Практикум.

– Львів: Видавничий центр ЛНУ імені Івана Франка, 2007. – 307 с.

12

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ И НЕОБХОДИМОСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ СБОРКИ, КАК КРИТЕРИЕВ ПРИ ВЫБОРЕ СПОСОБА ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА Понамарёва Е.А., Кульбида О.О. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Сборочные работы в машиностроительном производстве занимают до 40% общей трудоемкости изготовления изделий, при этом оставаясь частью технологического процесса, наименее подверженной комплексной автоматизации. Причиной данного явления следует считать разнообразие типов соединений, недостаточную технологичность собираемых деталей, отсутствие типовых устройств для автоматизации сборки, нестабильность размеров собираемых деталей изделия. В настоящий момент автоматизировано только 5..6% всех сборочных операций, тогда как механизации подвержено около 30% [1-4]. Большую часть сборочных работ традиционно производят вручную, при этом качество изделия напрямую зависит от физического и психо-эмоционального состояния рабочего-сборщика. Достаточно частое в наше время явление в практике крупных корпораций – размещение предприятий по сборке изделий вдали от основного производства. Качество выпуска «колониальных» экземпляров продукции в данном случае не ухудшается. Это объясняется возрастающей ролью автоматизации сборочных процессов: с уменьшением доли ручного труда снижается вероятность брака, вызванного некомпетентностью или невнимательностью рабочего-сборщика. При этом техническое обслуживание оборудования производится командированными специалистами основного предприятия. Этот принцип организации производства обеспечивает единые стандарты сборки для всех заводов компании. Менталитет среднестатистического потребителя таков, что термин «автоматизированная сборка» внушает куда больше доверия к качеству конечного изделия, нежели «ручная». Особенно актуально это для стран постсоветского пространства. На предложение назвать возможные причины появления некачественных товаров большая часть опрошенных в сети Интернет указывает на низкую степень автоматизации производственного процесса, устаревшие технологии и оборудование, недостаточную ответственность рабочих. Согласно статистике, менее 20% украинцев считают отечественную сборку ни в чем не уступающей зарубежной. При этом производители стран Запада, размещая филиалы своего производства в нашей стране, вполне удовлетворены качеством выпускаемых изделий. Большая часть продукции машиностроительных заводов Украины изготовляется в условиях средне- и мелкосерийного производств. При этом следует учитывать, что опыт автоматизации сборочных процессов приносит значительный экономический эффект предприятию только в условиях достаточно крупной годовой программы выпуска. Поэтому для условий серийного производства наиболее приемлемы сборочные системы гибкого типа – линии из быстропереналаживаемых машин-автоматов, собранных из унифицированных узлов, а также сборочные роботы. В наши дни роботизация является одним из наиболее перспективных направлений оптимизации сборочных операций, ввиду удобства перенастройки функционала под часто изменяющиеся условия работы. Востребованность этого типа автоматических устройств в сборочном производстве также можно объяснить тем, что робот осуществляет манипуляции, подобные действиям рабочего-сборщика, но более точно и подчиняясь строгой программе. Так же роботизация позволяет решать проблему сборки

13

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

средних и крупных изделий. Например, на сборочных предприятиях компании “Toyota” кузов автомобиля собирается за рекордно быстрое количество времени именно благодаря использованию роботов. Эффективность автоматизации процессов сборки напрямую зависит от следующих критериев: - идентичности сборочных операций для номенклатуры выпускаемых предприятием изделий; - высокой трудоемкости и большого объема ручной сборки; - повышенного риска брака; - возможности получения травм рабочими в процессе сборки; - сложных условий труда в сборочном цеху. Разумеется, в случае, когда ручная или частично механизированная сборка полностью соответствует требуемому качеству выпускаемых изделий, а оплата труда сборщиков удовлетворяет экономическим показателям себестоимости, – вопрос об автоматизации не поднимается. Согласно классическому подходу к решению проблемы автоматизации процессов сборки, предпосылками к ее осуществлению являются стабильность и массовость выпускаемой продукции. Решение о необходимости автоматизации на 90% зависит от объемов выпуска продукции и трудоемкости сборки в совокупном производственном процессе [3, 4]. Наибольшую востребованность автоматические системы сборки нашли в условиях крупно-серийного и массового производства, для изделий малых габаритов, без частых изменений в конструкции и пользующихся устойчивым спросом, например для подшипников качения, ламп, блоков цилиндров автомобилей, деталей гидро- и пневмоаппаратуры и т.д. Также на принятие решения о способе автоматизации сборочных процессов оказывает влияние традиционный для предприятия метод достижения точности замыкающего звена, косвенно или напрямую влияющий на организацию всего производственного процесса. Проанализируем существующие методы достижения точности замыкающего звена с точки зрения возможности использования в автоматизированных сборочных технологических процессах. Наиболее приемлемым для автоматизированного сборочного производства является метод полной взаимозаменяемости. Он изначально подразумевает изготовление деталей с узкими полями допусков присоединительных размеров и сборку изделий с короткими размерными цепями. Это гарантирует 100%-ную собираемость. При этом значительно удорожается процесс получения деталей ввиду достижения большей точности размеров. Машины для автоматической сборки по данному методу имеют наиболее простую и надежную конструкцию, подразумевающую лишь подачу, ориентирование и непосредственное соединение деталей, не требующие предварительного контроля и проверки предметов сборки на пригодность достигаемой цели. Метод неполной взаимозаменяемости также может быть подвержен автоматизации при условии наличия в составе сборочного оборудования специальных контрольных устройств, способных отбраковать поступающую на сборку деталь и исключить несобираемость соединения. Данный метод основан на том, что получаемые в процессе обработки размеры редко имеют граничные значения поля допуска, чаще размещаясь посередине. Это дает возможность расширить границы поля допуска, делая механическую обработку менее затратной и работать с многозвенными размерными цепями.

14

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Метод групповой взаимозаменяемости (селективной сборки), основанный на принципе предварительного отбора и сортировки деталей по размерным группам также в ряде случаев целесообразен к применению [1], особенно, когда количество групп ограничено. В Японии этот метод получил название «метод соответствующего выбора Автоматы подобного типа собирают узлы, выбирая для заданной детали парную из соответствующей точностной группы. Размерная цепь в таком случае содержит одно многопредметное звено, чьим предназначением является компенсация общей погрешности сборки. В данном случае сборочная линия оснащается специальной контрольной аппаратурой, которая производит оценку базовой детали и осуществляет выбор парной детали соответственно полученной информации. Наименее удобным для использования в автоматизированном сборочном производстве является метод пригонки, хотя существуют, но не получили широкого распространения, сборочные автоматы, осуществляющие непосредственное соединение, контроль, анализ погрешности сборки и последующую пригонку. Так, например, при сборке плунжерных пар топливной аппаратуры машина осуществляет пригонку шлифованием непосредственно на точке сборки, согласно логическим взаимосвязям, заложенным в программу управления. Основным фактором, тормозящим процесс автоматизации сборочного производства, является сложность и дороговизна изготовления и обслуживания сборочных автоматов. Конструкция каждой машины должна обеспечивать выполнение требований по сборке конкретного соединения, а система автоматов в конечном итоге – последовательно производить сборку изделия. Большая номенклатура изделий практически сводит на нет сам принцип подобной организации – затраты на регулярную переналадку и частые изменения конструкции автоматической линии способны разорить любое предприятие. С учетом данной проблемы, наиболее рациональным является организация сборочных производств по методу оптимальной комбинации ручной и автоматизированной сборки: однотипные по исполнению и монотонные операции осуществляются при помощи машин-автоматов, а задачи, требуемые различного подхода к своему решению, выполняются уже рабочими-сборщиками на местах. Подобного рода система внедрена на предприятиях немецкого концерна «Mercedes-Benz» [5]. Сборка коробок передач легковых автомобилей осуществляется на двух автоматизированных линиях: на первой линии собираются картер сцепления и картер коробки передач, на второй производится окончательная сборка. Гибкое сочетание ручной сборки и работы автоматов позволяет собирать на линиях до 15 типов изделий. В задачи автоматизированного сборочного оборудования данных линий входят следующие операции: - наживление и завинчивание шпилек (не менее 27 штук в одном изделии); - запрессовка втулок (более 8 типов в одной коробке) и сальников (около 4 шт.); - запрессовка подшипников; - определение монтажного размера дифференциала и его установка; - определение толщины регулировочных шайб, их подбор и установка. Передача узлов по линиям осуществляется при помощи приспособленийспутников, кодированных согласно типу собираемой коробки передач, на транспорте с несинхронной связью. Передача узлов между линиями выполняется манипулятором. Большая часть загрузочных операций на позиции автоматической сборки осуществляется вручную. Наиболее трудоемкие и сложные соединения также выполняются опера-

15

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

торами. Производительность приведенной выше системы сборки – 105 штук/час (цикл выхода изделия – 25 секунд) при общей загрузке оборудования на 80%. Эти показатели, равно как и успешная конкурентоспособность автомобилей марки «Мерседес» на мировом рынке, демонстрируют эффективность и перспективность создания таких комбинированных систем, объединяющих в себе сильные стороны как ручной, так и автоматизированной сборки. По результатам проведенного анализа можно сделать вывод о том, что преодоление всех перечисленных выше трудностей требует существенных капиталовложений, что при всех плюсах автоматизации сборочных процессов является часто наибольшей проблемой для предприятий. Затраты на разработку проекта, затраты на изготовление, сборку, настройку сборочных автоматов и транспортных систем, затраты на обслуживание автоматической линии в целом, затраты на современную высококлассную электронику и контрольно-управляющую аппаратуру, расходы на обучение персонала, расходы на высокую заработную плату узкоквалифицированных специалистов-механиков – это неполный ряд основных статей расходов автоматизированного производства. Так же немаловажным экономическим недостатком автоматизированных систем сборки следует назвать долгий срок окупаемости. В условиях достаточно нестабильной рыночной ситуации позволить себе такую долгосрочную стратегию могут лишь предприятия, твердо уверенные в своей конкурентоспособности в глазах потребителя. Список литературы: 1. Новиков М.П. Основы технологии сборки машин и механизмов / Новиков М.П. – М.: Машиностроение, 1980. – 592 с. 2. Лебедовский М.С. Научные основы автоматической сборки / Лебедовский М.С., Вейц В.Л., Федотов А.И.

– Л.: Машиностроение, 1985. – 316 с. 3. Замятин В.К. Технология и автоматизация сборки. – М.: Машиностроение, 1993 – 464 с. 4. Касилов В.В. Технологические основы проектирования автоматического сборочного оборудования. — М.: Машиностроение, 1976 – 382 с. 5. «Клуб любителей Mercedes-Benz Россия». Режим доступа: http://www.lovemercedes.ru/.

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ МНОГОНОМЕНКЛАТУРНЫХ РОТОРНЫХ ЛИНИЙ Чокнадий И. В., Буленков Е. А. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) В условиях рыночной экономики автоматизацию производства стержневых крепежных изделий целесообразно осуществлять с помощью многономенклатурных роторных линий [1, 2]. Технологический процесс изготовления данных изделий включает в себя простые штамповочные операции, а применение многономенклатурных роторных систем позволит реализовать комплексную автоматизацию производства. Однако создание многономенклатурных роторных систем затрудняется тем, что недостаточно полно изучены возможные варианты структур многономенклатурных роторных линий [3, 4]. Поэтому разработка структурно-функциональных моделей обработки деталей в условиях многономенклатурных роторных линий является актуальной задачей.

16

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Следует отметить, что при реализации многономенклатурного производства по классической схеме, т.е. когда в каждой позиции многономенклатурной роторный машины (МРМ) обрабатывается только одна деталь, количество позиций в МРМ будет соответствовать количеству типоразмеров изделий. Например, количеству типоразмеров винтов, изготавливаемых на многономенклатурной автоматической роторной линии (МАРЛ). Это приводит к увеличению потерь на холостые ходы в МРМ (рис. 1). На рисунке 1а показана схема ротора, в котором потерь нет, т.е. количество позиций соответствует требуемой Пт. Детали поступают в МРМ по входному потоку V и выдаются по выходному потоку W. Цифрами 1 и 2 соответственно обозначены зоны приема и выдачи изделий, 3 и 4 – зоны быстрого подвода и отвода инструмента, tp – зона обработки и 5 – зона контроля и обслуживания инструмента. а)

б)

Рис. 1. Схемы роторов На рис. 1б показана схема ротора, в котором обрабатывается в два раза больше различных изделий с той же производительностью Пт. Частота вращения такого ротора будет в два раза меньше, а время обработки изделия останется без изменений. При этом значительную часть времени, обозначенную на схеме цифрой 6, ротор будет работать вхолостую после завершения обработки изделия. Таким образом, известные способы создания МАРЛ не позволяют эффективно использовать возможности данных линий. Объединение для производства на МАРЛ большого количества различных типоразмеров изделий приведет к появлению большого количества потерь на холостые ходы в МРМ. Для решения этой проблемы необходимо создавать такие МАРЛ и МРМ, в которых не будет зависимости между количеством типоразмеров изделий и количеством инструментальных блоков (ИБ) в МРМ. Для разработки структурно-функциональных моделей обработки деталей была построена структурная схема технологического процесса изготовления изделий на МАРЛ и предложена методика разработки общих функционально-структурных моделей. Данная методика может быть использована при описании структуры операции любого группового технологического процесса изготовления деталей на любой МАРЛ. При этом возможны восемь различных структурно-функциональных моделей обработки деталей (табл. 1).

17

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Таблица 1. Структурно-функциональные модели обработки деталей ( ) j

str

k

u p VUp

  (  (  xij )t ) j j 1 t 1 i 1

Последовательная обработка изделий в параллельно работающих ИБ на МРМ, расположенных последовательно.

( ) j

str

k

u p VUp

  (  (  xij )t ) j j 1 t 1 i 1

Параллельная обработка изделий в параллельно работающих ИБ на МРМ, расположенных последовательно.

( ) j

str

k

u p VUp

  (  (  xij )t ) j j 1 t 1 i 1

Последовательная обработка изделий в последовательно работающих ИБ на МРМ, расположенных последовательно. ( ) j

str

k

u p VUp

  (  (  xij )t ) j j 1 t 1 i 1

Параллельная обработка изделий в последовательно работающих ИБ на МРМ, расположенных последовательно.

( ) j

str

k

u p VUp

  (  (  xij )t ) j j 1 t 1 i 1

Последовательная обработка изделий в параллельно работающих ИБ на МРМ, расположенных параллельно.

( ) j

str

k

u p VUp

  (  (  xij )t ) j j 1 t 1 i 1

Параллельная обработка изделий в параллельно работающих ИБ на МРМ, расположенных параллельно. k

u p VUp

str(j )   (  (  xij )t ) j j 1 t 1 i 1

Последовательная обработка изделий в последовательно ИБ на МРМ, расположенных параллельно.

18

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Продолжение таблицы 1. k

u p VUp

str(j )   (  (  xij )t ) j j 1 t 1 i 1

Параллельная обработка изделий в последовательно работающих ИБ на МРМ, расположенных параллельно. Следует отметить, что почти все роторные линии создавались на основе только одной схемы обработки. Поэтому, с целью использования многолетнего опыта создания роторных линий, рационально при создании МАРЛ использовать именно эту схему, описываемую формулой: ( ) j

str

k

u p VUp

  (  (  xij )t ) j . j 1 t 1 i 1

(1)

Предложенные общие функционально-структурные символьные модели отражают подпроцессы, протекающие в соответствующих структурных элементах МАРЛ. Наряду с этим, связь между групповым технологическим процессом изготовления изделий и структурой МАРЛ, на которой он реализуется, проявляется в виде маршрутизации изделий. Список литературы: 1. Клусов И. А. Технологические системы роторных машин для серийного производства. /Автоматизация технологических процессов: Сб. науч. тр.- Тула: Тульский политехн. ин-т, 1981 - с. 13 -19. 2. Михайлов А. Н. Основы синтеза поточно-пространственных технологических систем непрерывного действия.- Донецк: ДонНТУ, 2002.- 379 с. 3. Клусов И. А. Развитие роторных технологий. // Вестник машиностроения.- 2003.- №4.- с. 46-50. 4. Прейс В. В., Крюков В. А. Комплексная автоматизация производства на базе автоматических роторных и роторно-конвейерных линий. // Вестник машиностроения.- 2002.- №11.- с. 35-39.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ Шконда П.А., Рыбинская Т.А., Шаповалов Р.Г. (кафедра механики, ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) Автоматизация производственных процессов имеет важное значение на современном этапе развития машиностроения при становлении рыночных отношений. Основой производственных процессов являются автоматизированные технологические процессы механической обработки и сборки, которые обеспечивают высокую производительность и необходимое качество изготовляемых изделий. Современное отечественное машиностроение должно развиваться в направлении автоматизации производства с широким использованием ЭВМ и роботов, внедрения гибких технологий, позволяющих быстро и эффективно перестраивать технологиче-

19

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

ские процессы на изготовление новых изделий. Автоматизация проектирования технологии и управления производственными процессами — один из основных путей интенсификации производства, повышения его эффективности и качества продукции. Наиболее высокая эффективность мероприятий по автоматизации производственных процессов присуща предприятиям, характеризующимся большой серийностью выпускаемых изделий, высокой надежностью автоматизированных процессов, минимальной частотой и длительностью переналадок, минимальными дополнительными затратами и на автоматизированное оборудование, с большим опытом автоматизации. Основные принципы построения технологии механической обработки в автоматизированных производственных системах Раскрыть потенциальные возможности автоматизированных производственных система (АПС) и обеспечить их максимальную эффективность можно только тогда, когда проектированию АПС предшествуют глубокие технологические разработки, соблюдение основных принципов технологии. Рассмотрим некоторые из них.

1. Принцип завершенности заключается в том, что следует стремиться к выполнению всех операций в пределах одной АПС без промежуточной передачи полуфабрикатов в другие подразделения или вспомогательные отделения. Для реализации принципа необходимы: обеспечение требований по технологичности изделий; разработка новых унифицированных методов обработки и контроля; расширение и обоснование типажа оборудования АПС с повышенными технологическими возможностями.

2. Принцип малооперационной технологии заключается в формировании технологических процессов (ТП) с максимально возможным укрупнением операций, с минимальным числом операций и установок в операциях. Для реализации принципа необходимы те же мероприятия, что и для принципа 1, а также оптимизация маршрутов и операционной технологии, применение методов автоматизированного проектирования ТП.

3. Принцип «малолюдной» технологии заключается в обеспечении автоматической работы АПС в пределах всего производственного цикла. Для реализации принципа необходимы: стабилизация отклонений входных технологических параметров АПС (заготовок, инструментов, станков, оснастки); расширение и повышение надежности методов операционного информационного обеспечения; переход к гибким адаптивным системам управления (СУ) ТП со статистической коррекцией управляющей программы (УП).

4. Принцип «безотладочной» технологии заключается в разработке ТП, не требующих отладки на рабочих позициях. Принцип особенно актуален для широкономенклатурных АПС, он близок к принципу 3. Для его реализации необходимы те же мероприятия, что и для принципа 3.

5. Принцип активно-управляемой технологии заключается в организации управления ТП и коррекции проектных решений на основе рабочей информации о ходе ТП. Корректировать можно как технологические параметры, формируемые на этапе управления, так и исходные параметры технологической подготовки производства (ТПП). Для реализации принципа необходимы: разработка методов и алгоритмов адаптивного управления ТП; разработка методов статистической коррекции базы данных (БД) для создания самообучающихся АПС.

6. Принцип оптимальности заключается в принятии решения на каждом этапе ТПП и управлении ТП на основе единого критерия оптимальности. Для реализации принципа необходимы: разработка теоретических основ оптимизации ТП; разработка

20

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

алгоритмов оптимизации для условий работы АПС; разработка специальных технических, аппаратных, программных средств реализации указанных алгоритмов. Принцип оптимальности создает единую методическую основу решения технологических задач на всех уровнях и этапах, позволяет выработать наиболее эффективное, однозначное и взаимоувязанное решение указанных задач. Помимо рассмотренных для технологии АПС характерны и другие принципы: компьютерной технологии, информационной обеспеченности, интеграции, безбумажной документации, групповой технологии. Все они объединены в единую систему ТПП и управления. Это позволяет говорить о создании принципиально новой технологии АПС, реализующей наиболее эффективные технические решения и максимально раскрывающей потенциальные технические и технологические возможности АПС. Последний принцип групповой технологии является фундаментальным для всех АПС, так как именно он обеспечивает «гибкость» производства. Экономическая эффективность автоматизации производства Основные критерии экономической эффективности автоматизации Оценка средств и методов автоматизации по экономической эффективности является более обобщенной, чем оценка по отдельным техническим характеристикам. Сравнивая различныев арианты новых автоматизированных систем по их экономической эффективности, выбирают наилучший. Сравнивая принятый вариант по экономическим показателям с действующим производством, можно определить целесообразность замены и модернизации последнего. С учетом показателей техникоэкономической эффективности уточняют производственные характеристики с проектированной АПС. Основными критериями технико-экономической эффективности создаваемых и внедряемых АПС являются следующие.

1. Годовой экономический эффект от применения АПС. При определении эффективности различают: • предварительный экономический эффект. Определяется для выявления целесообразности проектирования автоматизированных участков, т. е. при составлении технического задания на проектирование; • ожидаемый экономический эффект. Рассчитывается на стадии разработки технического и рабочего проекта; • фактический экономический эффект. Определяется на стадии внедрения проекта в производство.

2. Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений.

3. Капитальные вложения потребителя.

4. Себестоимость годового объема продукции. К крупнейшим машиностроительным предприятиям Ростовской области относятся: Таганрогский автомобильный завод (ТагАЗ) с производством полного цикла общей площадью 60 тыс. м?. Конвейерная линия ТагАЗа размещена по вертикали — на четырёх этажах главного корпуса завода. Сообщение между уровнями организовано при помощи системы лифтов и подъемников. Каждый из уровней оборудован монорельсами, подъемными и транспортными механизмами. Оборудование размещено очень компактно. Все выпущенные с конвейера автомобили проходят дорожный тест на треке с различными дорожными покрытиями.

21

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Производственная мощность завода — 180 000 единиц 6 разных моделей автомобилей в год. Таганрогский автомобильный завод увеличил продажи легковых и коммерческих автомобилей в 2011 году на 13,2%. В то же время производство выросло по отношению к 2010 году на 21,4%. За 2011 год Таганрогский автомобильный завод реализовал 30 633 автомобиля 14 различных моделей, или 113,2 % к прошлому году. В этот же период была произведена 30 551 единица техники, что составило 121,4% к прошлому году. «Роствертол» — российская авиастроительная компания и одноимённое авиастроительное предприятие, расположенное в Ростове-на-Дону. В 2010 году «Роствертол» передал заказчикам 23 вертолёта (в том числе 12 Ми28Н Министерству обороны России, один М-26Т в Китай, 10 Ми-35: четыре — в Мьянму, по три — в Индонезию и Бразилию), в 2009 году — 16 вертолётов В 2009 году российские вертолеты занимали 4,2-4,4%. мирового рынка. В 2010 году занимали 7% рынка по количеству выпускаемых винтокрылых машин. В перспективе, к 2020 году, планируем занять 15-17% мирового рынка", - сообщил исполнительный директор холдинга "Вертолеты России" А.Б. Шибитов. Ростсельмаш - российское предприятие, производящее зерноуборочные комбайны. Является самым крупным на Юге России предприятием. На долю завода приходится 17 % мирового рынка сельхозтехники и 65 % российского. В 2009 году предприятие выпустило более 200 новых машин TORUM 740, в 2010 завод вышел на проектную мощность — 500 комбайнов в год. Инвестиции в производство новой машины составили свыше 700 млн руб. Новочеркасский электровозостроительный завод (НЭВЗ) - завод, выпускавший в СССР и выпускающий в России магистральные грузовые и пассажирские электровозы. Производственный комплекс завода включает в себя электротехническое, механообрабатывающее, металлургическое, холодно — штамповочное, сборочное и другие виды производства, охватывающие весь процесс изготовления локомотивов. По уровню технологической организации НЭВЗ является ведущим в отрасли. На заводе осуществляется комплекс мероприятий по совершенствованию конструкций электровозов, улучшению технологии изготовления деталей и узлов, применению более прогрессивных материалов и методов обработки. Выручка завода в 2005 составила 4,9 млрд руб., чистая прибыль — 380,2 млн руб. В 2006 году завод выпустил 156 магистральных электровозов. В 2008 реализовано продукции на сумму свыше 14,8 млрд руб. (153,1 % от показателей 2007). Созданные на НЭВЗе локомотивы, обладающие высокой степенью надёжности при работе в жестких климатических и сложных рельефных условиях, водят составы, перевозящие 80% всех грузов на электрифицированных железных дорогах России и стран ближнего зарубежья. С поточных линий завода сошло более 16000 локомотивов свыше 65 типов. Электровозы, выпущенные на НЭВЗе, эксплуатируются в странах СНГ, Финляндии, Польше и Китае. Сегодня НЭВЗ занимает лидирующие позиции по производству тягового подвижного состава для железных дорог страны. В 2011 г. по данным официального сайта завод реализовал продукции на сумму свыше 16,8 млрд. руб., объем выпуска продукции в 2012 г. увеличен на 30%.

22

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Контроль и диагностика качества продукции Основой надежной работы автоматизированных технологических систем является непрерывный или периодический контроль за ходом ТП, реализуемых в этих системах. При этом решаются задачи по контролю точности деталей, точности работы оборудования, выявлению причин отклонения от заданной точности деталей и оборудования, к определению методов и средств контроля, а также вопросы защиты от аварийных ситуаций. Для реализации этих функций в современном производстве активно используют микропроцессоры, лазерные системы и другую технику. Контроль — проверка соответствия объекта установленным техническим требованиям. Под объектом технического контроля понимают подвергаемую контролю продукцию, процессы ее создания, применения, транспортирования, хранения, технического обслуживания и ремонта, а также соответствующую техническую документацию. Следовательно, объектом, данные о состоянии и свойствах которого подлежат при контроле сопоставлению с установленными требованиями, может быть продукция или процесс. Контроль в АП бывает межоперационный (промежуточный), операционный (непосредственно на станке), послеоперационный, окончательный. Автоматизированному контролю должны подвергаться все элементы технологической системы: деталь, режущий инструмент, приспособление, само оборудование. Предпочтительными являются методы прямого контроля, хотя методы косвенного контроля шире используют при контроле инструментов, диагностике состояния оборудования. Контроль в процессе обработки является одним из наиболее эффективных методов технического контроля, так как позволяет повысить качество выпускаемой продукции при одновременном увеличении производительности труда. Повышение эффективности автоматизированного производства, в первую очередь, осуществляется путем широкого использования моделирования автоматизированных систем и методов комплексной автоматизации, а также управления производственными процессами и объектами. При этом большое внимание уделяется качеству изготовляемой продукции машиностроения. При решении этой задачи достаточно глубоко рассматриваются вопросы надежности и применения методов контроля и диагностики. Список литературы: 1. Автоматизация проектирования технологических процессов в машиностроении./ Под ред. Н.М. Капустина. — М.: Машиностроение, 1985.

2. Капустин Н.М., Кузнецов П.М. Автоматизация производственных процессов в машиностроении. – М.: Машиностроение, 2004.

23

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ НА ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВЯЗКИ КРУГА ПРИ ШЛИФОВАНИИ СТАЛИ ГАДФИЛЬДА Билищук К.А., Ищенко А.Л. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Введение С развитием науки и техники появляется много новых материалов, которые обладают уникальными свойствами, что позволяет использовать детали машин, узлов и механизмов в условиях значительных динамических нагрузок, в агрессивных средах, в условиях высоких температур и так далее. Несмотря на большое разнообразие таких свойств, существует один объединяющий такие материалы фактор – низкая обрабатываемость резанием. В связи с этим, такие материалы получили название – труднообрабатываемые материалы. Одним из представителей таких материалов является сталь Гадфильда. Она характеризуется высоким уровнем износостойкости и обуславливает ее способностью к чрезвычайно интенсивному упрочнению при пластической деформации, происходящей в зоне фрикционного контакта [1]. Обозначение марки стали — 110Г13Л. Сталь Гадфильда предназначена для изготовления деталей работающих на износ в условиях трения, давления и ударных нагрузок, при которых происходит самоупрачнение стали, а её прочность и износостойкость значительно возрастают [2]. Одной из главных причин, которая ограничивает использование стали 110Г13Л для изготовления деталей машин, механизмов и оборудования, как описывалось выше, является чрезвычайно трудная ее обработка резанием. Сталь настолько вязкая и под действием силы резания Pz, склонная к образованию наклепа в точках контакта инструмента, что считается практически не пригодной для обработки резанием [3]. Поэтому практически все детали из этой стали изготавливаются литьем с последующим шлифованием. Во время обработки шлифованием на поверхность детали действуют силы резания, что оказывает положительное влияние на эксплуатационные свойства детали, но отрицательное влияние на процесс обработки – образовывается дефектный слой на поверхности; температурное воздействие процесса шлифования на обрабатываемость резанием и эксплуатационные характеристики в литературе до настоящего времени описаны не были. На практике при обработке труднообрабатываемых материалов физикомеханическое состояние поверхностного слоя шлифованных деталей определяется не только контактной температурой, которую можно измерить экспериментально, а всем пространственно-временным температурным полем, что справедливо и для стали Гадфильда. В частности, важнейшее значение при формировании поверхностного слоя имеют градиенты температур и скорости изменения температуры. Все эти факторы имеют однозначные функциональные связи с кинематическими и динамическими параметрами режима обработки, свойствами материала, характеристикой шлифовального круга, режимами и способами охлаждения и многими другими параметрами. Управление качеством шлифованной поверхности в значительной мере сводится к установлению этих связей и воздействию через них на тепловой режим шлифования и физикомеханические свойства поверхностного слоя [4].

24

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Изучение определения температуры на поверхности шлифованной детали из стали Гадфильда рассматривается на примере зуба ковша роторного укладчика-заборщика, изготовленного на предприятии «Зуевский энергомеханический завод». Цель исследования – влияние температуры в зоне резания на физикомеханические свойства связки круга. Основное содержание работы Проанализируем напряжения и деформации, возникающие на поверхности связки шлифовального круга, для этого определим температуру в зоне резания по методике, предложенной В.А. Сипайловым. Как процесс резания рассмотрим плоское шлифование периферией круга. При плоском шлифовании зона контакта абразивного круга с деталью будет прямоугольником, длина которого равна высоте шлифовального круга, а ширина определяется глубиной шлифования и диаметром круга [5]. Таким образом, длина прямоугольника равна 80 мм, а ширина – на порядок меньше. В нашем случае зону контакта целесообразно моделировать бесконечно длинной полосой, поскольку реальная ограниченность этой полосы никак не повлияет на распределение температуры на ее средних участках. Некоторые изменения могут наблюдаются на концах полосы, но их влияние незначительно. При расчете температур по схеме сплошного источника возникает вопрос о законе распределения плотности теплового потока по ширине. Эта величина, в зависимости от особенностей схемы шлифования, не обязательно равномерна, а подчиняется какому-либо непрерывному закону, однако, температуры, характерные для процесса шлифования, мало зависят от закона распределения плотности теплового потока (рис. 1) [4]. Разница проявляется при расчете температур от источников тепла, которые движутся медленно. Чем больше скорость источника, тем меньше влияние оказывает закон распределения q. При скоростях, характерных для шлифования, разница составляет 5-6%. Таким образом, Рис. 1. Распределение температуры по- можно принять равномерное распреверхности при различных законах изменения деление теплового потока по плосплотности теплового потока: 1 – f(F')=1 – по- кости контакта. Рассмотрим случай, когда стоянная плотность теплового потока; 2 – шлифования ведется без охлаждеf(F')= q0 ((z'+ h)/h) –линейная зависимость с максимумом на передней кромке источника и ния, при этом можно ограничиться нулем на задней кромке; 3 – f(F')= q0 ((h – заданием на всех поверхностях граz')/h) – линейная зависимость с нулем на пе- ничных условий второго рода. Под редней кромке и максимумом на задней источником необходимо задать ускромке; 4 – f(F')= q0 ((h2 – (z')2)/2h2) – парабо- редненный по зоне контакта тепловой поток, а на остальных поверхнолическая зависимость. стях – нулевой тепловой поток. Для определения даже этих простых граничных условий, необходим эксперимент. Сущест-

25

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

вующие расчетные методы мало разработаны и не дают надежных результатов. Экспериментально плотность теплового потока обычно определяется по тангенциальной составляющей силы резания Pz. Измерение сил при шлифовании проводятся давно и делаются попытки оформления результатов этих измерений в виде эмпирических формул типа: Pz  C  t   S   Vи  V к , где С, α, β, γ, δ – экспериментально подобранные коэффициенты. Эти коэффициенты дают большой разброс в численных значениях. Разброс достигает иногда почти 50%, что вызывает необходимость сдержанного отношения к этим формулам. Сравнительно небольшие изменения условий (влажность воздуха, износ круга и т. п.) вызывают большие изменения в результатах измерения сил Pz. Наиболее надежным является конкретный эксперимент. Измерив тангенциальную составляющую силы резания Pz и зная скорость периферии круга, можно определить общую тепловую мощность, выделяемую в зоне контакта: N  PzVк . Разделив эту величину на площадь зоны контакта, можно найти полную плотность теплового потока [4]: PV q z к S Исходные данные для расчета следующие: шлифовальный круг прямого профиля, наружный диаметр D = 300 мм, высота круга B = 80мм. Выбор связки абразивного инструмента осуществляется после определения максимальной температуры на поверхности изделия при шлифовании. Режим шлифования: скорость продольной подачи υ = 12м/мин, глубина шлифования t = 0,1 мм; материал – сталь 110Г13Л: температуропроводность а = 0,05? 10 -4 м2/с, теплопроводность λ = 55 Вт/(м? K). Согласно [4], для выбранного режима шлифования, погонная тангенциальная сила, отнесенная на 1 мм длины зоны контакта составит: P'z =1000 Н/м. Таким образом, плотность теплового потока определяется: P ' z  B  Vк 1000  0,08  35 q   6,4 МВт / м 2 3 B Dt 0,08  0,3  0,1  10 Определим ширину зоны контакта вдоль направления движения по следующей зависимости: 2h  D t  0,3  0,1  10 3  5,5 мм Следовательно, безразмерная полуширина контакта составляет:   h 0,2  0.00275 H   54 2 a 2  0,05  10  4 Так как скорость источника велика (Н > 10), для расчета поверхностных температур можно воспользоваться приближенным значением интеграла [4]: J (u )  2 | u |  1 Температуру поверхности в этом случае можно определить по формуле: 2qa (1) T 2 ( H  Z  | H  Z | )   Графически распределение температуры на поверхности детали из стали Гадфильда изображено на рисунке 2. Для упрощения расчетов данный график был построен с использованием пакета Mathcad.

26

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Средняя скорость нагрева будет выражена зависимостью [4]: 2 h   Из графика (рис.

2) можно получить некоторые сведения: максимум температуры на задней кромке полосового источника z = h = 0,001 м, это следствие значительной скорости продольной подачи. МаксиРис. 2. Температура на поверхности детали от движу- мальная температура на поверхности состащегося полосового источника вила около 740°С, средняя скорость нагрева τ = 0,01 с. Нетрудно заметить, что у графика функции отсутствует плавный переход - результат приближенного расчета по средствам зависимости (1). В зависимости от области применения и особенностей связки, сталь Гадфильда можно обрабатывать кругом на керамической, бакелитовой или вулканитовой связке. Керамическая связка обладает высокой температурной стойкостью, поэтому подходит для шлифования стали Гадфильда с максимальной температурой в зоне резания 740 °С. Бакелитовая связка разрушается при температуре выше 250 °С, а вулканитовая – при температуре выше 150 °С [6]. Следовательно, данные связки не подходят для обработки изделий из стали Гадфильда. Выводы Установлено, что максимальная температура на поверхности изделия из стали Гадфильда составила около 740°С при средней скорости нагрева τ = 0,01 с. Температура на поверхности изделия при шлифовании влияет на выбор связки абразивного инструмента. При высоких температурах в зоне резания происходит разрушение и выгорание бакелитовой и вулканитовой связки. Для обработки стали Гадфильда подходит керамическая связка, благодаря своей высокой температурной стойкости. В дальнейшем планируется произвести имитационное моделирование поведения единичного зерна в связке шлифовального круга под действием контактных нагрузок. Список литературы: 1. Иванов Ю.Ф., Алешина Е.А., Колубаев Е.А., Колубаев А.В., Сизова О.В., Громов В.Е. Закономерности формирования структуры поверхностного слоя стали Гадфильда при трении // Физ. мезомех. – 2006. – Т. 9. – № 6. – С. 83-90.

2. Сталь 110Г13Л [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.bila.ru 3. Строшков А.Н. Обработка резанием труднообрабатываемых материалов с нагревом / Строшков А.Н., Кунин Н.С., Малинин И.П. – М.: Машиностроение, 1977. 4. Сипайлов В.А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности. – М.: Машиностроение, 1978. – 167 с. 5. Маслов Е.Н. Основы теории шлифования металлов. – М.: Машгиз, 1951. – 190 с. 6. Справочник инструментальщика / И.А. Ординарцев, Г.В. Филиппов, А.Н. Шевченко и др.; Под общ. ред. И.А. Ординарцева. – Л.: Машиностроение, – 1987. – 846 с.

27

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ОСОБЕННОСТИ НАНЕСЕНИЯ ВАКУУМНЫХ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ЭЛЕМЕНТЫ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС НА БАЗЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПОДХОДА Лахин А.М., Михайлов А.Н., Тархов М.А. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Зубчатые колеса являются наиболее востребованными деталями силовых механизмов и устройств, поскольку зубчатые передачи в наибольшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к силовым передачам. Вместе с тем, для обеспечения конкурентоспособности данных изделий, к зубчатым колесам предъявляются постоянно увеличивающиеся требования, связанные с увеличением долговечности, снижению шума в работе, снижению габаритов при передаче высоких крутящих моментов, возможности работы в условиях сухого трения и пр. Поэтому в настоящий момент при конструировании и изготовлении зубчатых колес требуются новые подходы, заключающиеся как в совершенствовании конструкции, так и применении новых подходов в создании технологического обеспечения производства зубчатых способствующих повышению их эксплуатационных характеристик. Одним из новых направлений при создании технологического обеспечения производства зубчатых колес, являются функционально-ориентированные технологии [1], целью которых является обеспечение свойств элементов изделия соответствующих условиям их эксплуатации в машине или технологической системе. Одной из отличительных особенностей функционально-ориентированных технологий является обеспечение свойств элементам изделия в зависимости от условий эксплуатации на местном уровне, что предполагает реализацию местных технологических воздействий к различным элементам зубчатых колес в соответствие с выполняемыми функциями. В связи с эти для рассматриваемых колес производится деление элементов на функциональные зоны и элементы [2], разрабатываются классификации, а также определяются свойства для каждой группы функциональных элементов, которые требуется обеспечить для полного соответствия изделия условиям эксплуатации. Свойства функциональных элементов предполагает как физико-механические характеристики зон и участков зубчатых колес, которые могут отличаться от характеристик основного материала, так и обеспечения заданных параметров точности и качества поверхности элементов зубчатых колес. Требования по точности и качеству поверхности обеспечиваются различными методами предварительной, чистовой и отделочной обработки зубчатых колес, которые достаточно хорошо изучены ранее [3]. Методы местного обеспечения физико-механических характеристик элементов зубчатых колес предполагают локальное управление свойствами основного материала зубчатых колес, что может быть выполнено на основе: термического упрочнения, механического воздействия методами ППД, а также путем создания дополнительного поверхностного слоя из материала, имеющего свойства, отличные от свойств основного материала детали. Местное термическое упрочнение позволяет значительно увеличить прочностные характеристики элементов зубчатых колес, однако приводит к нарушению размерной точности и качества поверхности вследствие термических деформаций и окисления, что в конечном итоге требует значительного объема механической обработки. Применение методов ППД также позволяет несколько повысить физикомеханические характеристики и поверхностного слоя за счет сглаживания микронеровностей образующих рельеф поверхности, а также наклепа в поверхностном слое. Однако увеличение физико-механических свойств при этом незначительно, к тому же при-

28

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

водит к образованию в поверхностном слое значительных остаточных напряжений, которые в последствие могут привести к преждевременному износу зубчатых колес. Создание дополнительного поверхностного слоя материала, реализуемое за счет нанесения специальных покрытий, позволяет в широких пределах управлять физикомеханическими характеристиками элементов зубчатых колес, поскольку свойства определяются составом и свойствами наносимого покрытия. При этом вид покрытия определяется решаемой технологической задачей, исходя из назначения конкретного элемента колеса. Однако достигаемые в данном случае свойства зависят от качества самого покрытия, которое выражается в его сцеплении с подложкой (основным материалом детали), толщине и равномерности толщины покрытия. Также следует учесть, что при нанесении покрытия происходит некоторое увеличение размеров элементов детали в связи с наличием дополнительного поверхностного слоя с покрытием. Поэтому на предыдущих этапах механической обработки должен быть предусмотрен съем дополнительного припуска с учетом наличия покрытия на элементы зубчатых колес.

Рис. 1. Исполнительные элементы зубчатых колес и предъявляемые к ним требования На рис. 1. представлены требования к исполнительным (рабочим и базирующим) элементам зубчатых колес. К остальным элементам предъявляются менее значительные требования, как правило, обеспечиваемые основным материалом детали и обычно не требующих специальной высокоточной обработки. Требования к базирующим элементам предполагают: обеспечение высокой точности линейных и диаметральных размеров, высокую точность формы и взаимного расположения поверхностей; низкую шероховатость установочных поверхностей, высокой контактной прочности опорных поверхностей, а в некоторых случаях низкий коэффициент трения при необходимости осевого перемещения зубчатых колес в процессе работы узла. Данные требования могут быть обеспечены чистовой и отделочной обработкой методами лезвийной и абразивной обработки после закалки, а также ППД (калибрование, выглаживание, раскатывание). Для обеспечения возможности беспрепятственного перемещения на валу, на отверстия и торцы, прилегающие к ним, а также для избежания возможности заедания на элементы отверстия могут быть нанесены покрытия на основе нитридов и карбидов титана и других высокопрочных металлов, которые позволяют также повысить микротвердость и контактную прочность. Требования к исполнительным рабочим элементам предполагают высокую износостойкость профиля зуба, низкий коэффициент трения к сопрягаемым зубьям, низкую шероховатость, высокую точность элементов зубчатого венца, точность взаимного

29

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

расположения относительно базирующих элементов, а также низкий шум в работе и высокую долговечность. Причем управление свойствами рабочих элементов зубчатых колес связаны с действием переменных эксплуатационных функции. Рассмотрим их действие на примере изменения скорости взаимного скольжения профилей в процессе зацепления, по высоте зуба (рис. 2).

Рис. 2. Изменение скорости взаимного скольжения профилей в процессе зацепления: а) график изменения скорости взаимного скольжения; б) скорости в начале зацепления; в) скорости в конце зацепления В процессе зацепления по высоте зуба действует взаимное скольжение в точках контакта зубьев, причем величина скорости взаимного скольжения определяется разницей касательных составляющих скоростей в зацеплении [3]: vск =vτ2- vτ1. Ее величина непрерывно изменяется при перекатывании профилей сопряженных зубьев. При этом в верхней части зуба данная разность наибольшая, поэтому зоны у вершины зуба испытывают наибольший механический износ в результате трения профилей Рис. 3. Схема нанесения покрытий на ра- сопряженной пары зубьев. Различие скоростей взаимного скольжения бочие элементы зубчатых колес изменяются непрерывно, и равны 0 при контакте зубьев в полюсе зацепления, при этом максимальные значения зависят от разности чисел зубьев шестерни и колеса. Нанесение износостойких вакуумных ионно-плазменных покрытий на исполнительные рабочие поверхности (зубья), позволяют обеспечить износостойкость данных поверхностей, а также при комбинаций материалов наносимых на зубья шестерни и колеса, наносить покрытия со специальными свойствами (на основе Ti, TiN), обеспечивающие минимальный коэффициент трения рассматриваемой пары зубьев. Данные свойства особенно актуальны для открытых зубчатых передач, работающих в условиях сухого трения.

30

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Экспериментальные исследования, производимые для прямозубых колес с модулем m=2.5 мм и числом зубьев 22-27, позволяют выделить некоторые закономерности изменения толщины покрытия и микротвердости по высоте зуба. Установка заготовок в камеру производилась на вращающийся стол с планетарным механизмом, позволяющий обеспечить движение заготовок в процессе нанесения покрытий для обеспечения равномерного доступа потока ионов, исходящих от катодов, к наносимым поверхностям зубчатых колес (рис. 3).

б)

а)

Рис. 4. Графики изменения толщины покрытия (а) и микротвердости (б)по высоте зуба По результатам измерения толщины покрытия (рис. 4, а) и микротвердости, характеризующей износостойкость зубьев (рис. 4, б), можно заметить, что в зонах поверхностных слоев у вершин зуба толщина покрытия и микротвердость имеют наибольшие значения, и уменьшаются по мере удаления от окружности вершин к ножке зуба. Это свидетельствует о том, что при нанесении покрытий зоны у впадин зубьев имеют наибольшее сопротивление по перемещению ионов в процессе осаждения покрытия, а также возможностью образования теневых зон в результате перекрытия соседними зубьями. Однако, как видно из рис. 3, поскольку наибольшее трение испытывают участки у головки зуба, требования к их износостойкости наибольшие, и могут быть удовлетворены при реализации данной схемы. Таким образом анализ, проведенный в работе позволил установить, что использование традиционных методов отделочной механической обработки, и термического упрочнения, не позволяет в полной мере обеспечить свойства элементов зубчатых колес в соответствие с условиями их эксплуатации. При этом использование комбинаций покрытий, наносимых на отдельные участки зубчатых колес в соответствие с выполняемыми эксплуатационными функциями, позволяет максимально адаптировать зубчатые колеса к условиям их эксплуатации в машине или технологической системе. Список литературы: 1. 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.

31

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ КОМБИНИРОВАННОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТЧИКОВ Меркулов М.В., Чегаев А.К. (кафедра ТМ, ДонНТУ, Донецк, Украина) Функционально-ориентированная технология изготовления изделия машиностроения это специальная технология, которая базируется на функциональноориентированных технологической системе и технологическом процессе. Она основана на точной, ориентированной топологически, реализации заданного множества алгоритмов технологического воздействия инструментов и принципов обработки в требуемые нано, микро, макро зоны и участки изделия, которые функционально соответствуют условиям их эксплуатации в каждой отдельной его зоне. [1] При этом их вид, тип, вариант, количество, качество и алгоритм технологического воздействия целенаправленно определяются, а также топологически, функционально и количественно ориентируются при их реализации в отдельные зоны изделия в зависимости от заданных функциональных особенностей их эксплуатации. Применение функциональноориентированных технологий для изделий машиностроения позволяет максимально повысить их общие эксплуатационные параметры за счет местного увеличения технических возможностей и свойств отдельных элементов, поверхностей или зон изделия в зависимости от функциональных местных особенностей их эксплуатации. При этом изделия машиностроения, изготавливаемые по предлагаемым технологиям, максимально адаптируются по своим свойствам к особенностям их эксплуатации и проявляют свой полный потенциал возможностей при работе. [2] Следует отметить, что предлагаемый новый класс технологий усложняет процесс изготовления изделий, но в целом обеспечивает качественно новую совокупность свойств и меру полезности изделий машиностроения при эксплуатации. Это дает возможность существенно повысить технико-экономические показатели эксплуатации и использования машин и технических систем. Применение комбинированной функционально-ориентированной технологии при производстве металлорежущих инструментов происходит в несколько этапов. [3] Рассмотрим эти этапы, взяв в качестве примера функционально-ориентированную технологию производства метчиков.

1. Формообразование металлорежущего инструмента по уже существую-

Рис.1. Специальные метчики до нанесения покрытия

32

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

щим технологиям с получением всей необходимой геометрии но без окончательной заточки режущей кромки.

2. Подготовка поверхности к нанесению покрытия: происходит шлифовка и полировка режущих кромок инструмента (рис.1).

3. Ориентированная пневмоструйная обработка: на установке УЗГ 4-1 (рис.2) происходит бомбардирование порошком черного кремния (рис.3) режущих кромок инструмента, поверхностно упрочняя их.

Рис.2. Установка УЗГ 4-1 для пневмоструйной ориентированной обработки

Рис.3. Порошок карбида кремния черного

4. Ультразвуковая обработка поверхности: в специальном оборудовании в специальном растворе происходит очистка поверхностей инструмента (рис.4).

Рис.4. Оборудование для ультразвуковой Рис.5. Металлизация изделий в вакуумной очистки камере 5. Обезжиривание химической обработкой поверхности: инструмент обрабатывается бензином, ацетоном и спиртом.

6. Очистка тлеющим разрядом в вакуумной камере под давлением 7? 10-3Па в течение 10 мин.

7. Ионная бомбардировка в вакуумной камере инструмента в течение 5 мин под давлением 5? 10-3Па.

33

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

8. Прогрев инструмента в вакуумной камере в течение 5 мин под давлением 5? 10-3Па.

9. Металлизация поверхностного слоя инструмента на глубину 0,1мкм в вакуумной камере в течение 2 мин под давлением 3? 10-3Па (рис.5).

10. Нанесение покрытия на инструмент толщиной 0,7 мкм в вакуумной камере в течение 10 мин под давлением 4? 10-3Па.

11. Охлаждение инструмента в вакуумной камере в течение 10 мин. На выходе получаем металлорежущий инструмент с совершенно новыми качественными свойствами (рис.6). Износостойкость инструмента повышается в 3-4 раза.

[4]

Рис.6 Метчики после нанесения покрытия Список литературы: 1. Методы поиска новых технических решений / Под ред. А.И. Половинкина. – Йошкар-Ола: Map. кн. изд-во, 1976. 2. Митрофанов С. П. Групповая технология машиностроительного производства. – Л.: Машиностроение, 1983. 3. Михайлов А. Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения / Михайлов А.Н. – Донецк: ДонНТУ, 2009. – 346 с. 4. Михайлов А.Н. Основные принципы и особенности синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения. // Машиностроение и техносфера XXI века. Сборник трудов XIII международной научно-технической конференции в г. Севастополе 11-16 сентября 2006 г. В 5-ти томах. – Донецк: ДонНТУ, 2006. Т. 3. С. 61-77.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛЕСНО-РЕЕЧНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ БСП Мирошниченко О.А., Горобец И.А. (кафедра ТМ, ДонНТУ, Донецк, Украина) Анализ современного мирового состояния производства угля, а так же его потребления показывает, что уголь был и остается основным энергетическим ресурсом, а его роль в мировом топливно-энергетическом комплексе постоянно растет [1]. По данным обзора мировой энергетики Statistical Review of World Energy в июне 2011 г. [2] Украина находится в первой десятке стран по уровню угольного потенциала, при этом

34

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

доказанные запасы угля в Украине насчитывают 33,873 млрд. т, что составляет 3,9% мирового запаса угля. Однако при таком высоком потенциале природных ресурсов удельный вес добычи угля составляет лишь 1% (73,3 млн. т). Поэтому для повышения производительности горно-шахтных работ и успешного использования природного богатства необходимо применение высокопроизводительного и автоматизированного горно-шахтного оборудования, которое обладает высокой надежностью и обеспечивает меньшие простои в работе, связанные с износом или поломкой деталей. Основным элементом технологической цепочки шахтной угледобычи в составе механизированного комплекса является очистной комбайн. Практически все современные отечественные и зарубежные очистные механизированные комплексы оснащаются комбайнами с бесцепной системой подачи (БСП), которая состоит из зубчатого колеса (звездочки) перекатывающегося по зубчатой (цевочной) рейке [3]. Особенностью современного развития угольной промышленности Украины является интенсификация добычи угля, в связи с чем происходит значительное увеличение нагруженности на весь механизированный комплекс очистных забоев приводит к повышению удельной нагрузки в бесцепных системах подачи в 1,9…2 раза [4], а следовательно, к резкому ужесточению требований к качеству его элементов. Поэтому в оценке работоспособности движителей системы подачи очистного комбайна большое значение имеет качество изготовления пары «колесо-рейка», так как очень важно обеспечить плавность хода комбайна и минимальный износ элементов движителя. В движителях традиционной конструкции для шахт Украины используется цевочное зацепление. При этом зуб имеет эвольвентный профиль и зацепляется с цилиндрической цевкой (рис. 1а). Основание и рама рейки изготавливаются из стальной прокатной полосы, в которых с помощью плазменной резки получают наружные поверхности и отверстия под цевки и для крепежа. Цилиндрический пальцы (цевки), ввариваемые в отверстия основания и рамы, изготовлены из круглого проката, прошедшего токарную обработку. В настоящее время используются и литые рейки, что позволяет применять и другие формы зуба рейки (рис. 1б). При этом используется циклоидальное зацепление пары «колесо-рейка», у которого профили зубьев колеса очерчены по циклическим кривым: ножка зуба – по гипоциклоиде, а головка – по эпициклоиде. Изготовление такой зубчатой рейки предусматривает минимум операций механической обработки резанием, связанных лишь с получением отверстий для крепления рейки к ставу скребкового конвейера и фрезерованием двух призонных поверхностей по длине детали и двух торцов рейки. Зубообработка колеса движителя БСП состоит из черновой послойной обработки резцом в резцовой оправке по контуру с последующей чистовой обработкой концевой фрезой. При исследовании погрешности изготовления элементов колесно-реечного движителя достаточный объем экспериментального материала определялся из условия необходимой точности данных статистической обработки фактического материала, т.е. объем информации должен быть достаточен для того, чтобы с гарантированной вероятностью погрешность оценки величины не превышала назначенной или допустимой [5]. Объем экспериментального материала для дискретных величин оценивались зависимостью:

35

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

,

(1)

где – доверительная вероятность, Ф(t) – интегральная функция Лапласа, Sх – оценка среднеквадратического отклонения результата измерения, ε – максимальное отклонение выборочной средней от генеральной, n – число опытов.

Рис. 1. Виды конструкций движителей БСП механизма подачи очистного комбайна Определение погрешностей изготовления литого зубчатого реечного става движителя БСП заключалось в измерении толщины прямолинейного и криволинейного участков зуба и шага зубьев рейки. Для исследования точности изготовления цевочной рейки был измерен шаг рейки и определено отклонение величины шага цевочной рейки от ее номинального значения. Определение погрешностей изготовления зубьев зубчатого колеса движителя БСП заключалось в измерении ширины зубьев по постоянной хорде на 3х высотах. Согласно предварительно определенного объема выборки был сформирован массив данных, в результате статистической обработки получены результаты, анализ которых позволил сделать следующие заключения, табл. 1. Таким образом, погрешности взаимного расположения элементов колеснореечного движителя, связанные с погрешностями в изготовлении, в ходе работы очистного комбайна непрерывно изменяются в пределах максимального интервала. Это и приводит к дополнительным изменениям кинематических и силовых характеристик зацепления колесно-реечного зацепления, накладывающих свой отпечаток на динамическую нагруженность машины в целом, а так же надежность всего механизированного комплекса.

36

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица 1. Результаты исследования погрешности изготовления элементов колесно-реечного движителя Исследуемый параметр Место наибольшей погрешности Номинальный Математическое Относительная размер, мм ожидание, мм ошибка, % Толщина зуба литой зубчатой 43,86 41,71 9,3 рейки Ширина зуба зубчатого колеса 9,18 9,50 18 Шаг зубьев литой зубчатой рейки 125,98 4,4 126 Шаг цевок цевочного реечного 99,98 5,5 100 става Список литературы: 1. Трушина Г.С., Щипачев М.С. «Значение угольной промышленности в развитии мировой энергетики»//Ежемесячный научно-технический и производственно-экономический журнал «Уголь №10» - 2011г. – с. 42-48. 2. BP Statistical Review of World Energy - «Статистический обзор мировой энергетики», June 2011 3. Горобец И. А., Бабенко М. О. "Влияние погрешности профиля зубьев на характеристики колесно-реечных движителей" в сбрнике трудов XIII Международной научнотехнической конференции в г. Севастополе 11-16 сентября 2006г. В 5-х томах. - Донецк: ДонНТУ, 2006. Т1 - с. 26-27. 4. Бреннер В. А., Лукиенко Л. В Повышение ресурса бесцепных систем подачи угледобывающих комбайнов. РХТУ им. Д. И. Менделеева. Новомосковский институт, Новомосковск, 2004. – 204 с. 5. Болтян А.В., Горобец И.А. «Теория инженерных исследований»: Учебное пособие. – Донецк, - ДонНТУ, 2001. – 139 с.

НОВЫЙ КЛАСС ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ТЕХНОЛОГИЙ - ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Михайлов А.Н., Михайлова Е.А., Соосар В.А. (кафедры ТМ и ГЗТЛ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) С развитием научно-технического прогресса непрерывно повышаются требования к качеству, возможностям и эстетической красоте создаваемых машин, технических систем и оборудования. Это особенно проявляется в современных условиях с постоянно изменяющимися особенностями конъюнктуры международных рынков сбыта товаров. Поэтому выпускаемые изделия должны непрерывно совершенствоваться и при этом обеспечиваться их качественно новая совокупность свойств и мера полезности. Для решения этих вопросов необходимо постоянно обновлять и технологическое обеспечение по изготовлению изделий. На основании этого в данной работе приводятся данные по созданию специальных технологий, обеспечивающих реализацию качественно новой совокупности свойств и меры полезности изделий машиностроения при эксплуатации на всех этапах комплексного технологического процесса. Здесь эти технологии именуются функционально-ориентированными технологиями (ФОТ) [1, 2]. Можно отметить, что в настоящее время в машиностроении широко используются различные организационно-технологические формы технологических процессов,

37

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

а именно: единичные технологические процессы, типовые технологические процессы, групповые технологические процессы, модульные технологические процессы. Анализируя эти технологические процессы можно усмотреть, что в целом методология их проектирования состоит из двух этапов проектирования (рис. 1): 1. Деление изделия на исполнительные поверхности и выполнение их классификации.

2. Формирование структуры или маршрута технологического процесса. Заметим, что методика проектирования этих технологических процессов характеризуются лавинообразным процессом. Во многих компаниях и фирмах такую схему проектирования технологических процессов рассматривают как незыблемую. Однако, не смотря на силу традиций, анализ процесса проектирования технологий в машиностроении показывает следующие недостатки этой схемы: непригодность для разработки сложных технологий, состоящих из большого числа подсистем и автономных модулей, образующих сетевые структуры; обязательно последовательное выполнение всех этапов проектирования технологий; несовместимость с эволюционным подходом и с перспективными методами управления процессами проектирования технологических процессов. Поэтому, для создания прогрессивных технологических процессов машиностроения, традиционные методы не подходят. На рис. 2 показаны основные этапы синтеза ФОТ. Здесь методика проектирования ФОТ не является отдельным монолитным этапом. Она представляет собой один из Рис. 1. Основные этапы синтеза традиционных тех- шагов на пути последовательной итеративной разработки нологий технологического процесса. При этом последовательность и методология базируется на замкнутой рекуррентной структуре. Основные этапы синтеза ФОТ следующие: 1. Анализ эксплуатационных особенностей изделия и составление структуры эксплуатационных функций.

2. Деление изделия на функциональные элементы по уровням «глубины технологии» и их классификация.

38

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

3. Формирование структуры или маршрута технологического процесса на базе особых принципов ориентации. ФОТ изготовления изделия машиностроения это специальная технология, которая основана на точной топологически ориентированной реализации необходимого множества алгоритмов технологического воздействия орудий и средств обработки в необходимые микро, макро зоны и участки изделия, которые функционально соответствуют условиям их эксплуатации в каждой отдельной его зоне. При этом их вид, тип,

Рис. 2. Основные этапы синтеза ФОТ вариант, количество, качество и алгоритм технологического воздействия целенаправленно определяются, а также топологически, функционально и количественно ориентируются при их реализации в отдельные зоны изделия в зависимости от заданных функциональных особенностей их эксплуатации. Основными особенностями ФОТ является то, что технологические воздействия орудий обработки на изделия и процесс обеспечения заданных и требуемых свойств изделий выполняется на следующих уровнях: на уровне всего изделия в целом; на уровне участков; на уровне составляющих; на уровне зон; на уровне макрозон; на уровне микрозон; на уровне нанозон. При этом заданные, требуемые и предельные свойства изделий обеспечиваются за счет ориентации технологических воздействий потоков материи, энергии и информации на базе следующих восьми особых принципов [2]: 1. Функционального соответствия. 2. Топологического соответствия. 3. Количественного соответствия. 4. Адекват-

39

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ной зависимости пространственных особенностей действия элементарной функции при эксплуатации. 5. Адекватной зависимости временных особенностей действия элементарной функции при эксплуатации. 6. Структурного соответствия действия множества элементарных функций. 7. Адекватного структурно-функционального соответствия свойств в пространстве и во времени функционального элемента. 8. Адекватного структурно-функционального соответствия свойств в окрестностях каждого функционального элемента в пространстве и во времени. На основе разработанных принципов выполняется синтез ФОТ и изготовление изделий, которые обеспечивают полную адаптацию изделия и его элементов по эксплуатационным свойствам к условиям эксплуатации. Изготовление изделий на основе ФОТ обеспечивает возможность реализации их полного потенциала функциональных возможностей при эксплуатации. Это существенно повышает технико-экономические показатели изготовления и эксплуатации изделий. В заключение можно отметить, что в данной работе разработан общий подход создания ФОТ. Он основывается на целом комплексе новых принципов их проектирования, которые предложены в данной работе. Для реализации ФОТ приведена общая методология и методика их выполнения. Эти технологии относятся к новому классу организационно-технологической формы технологий [2]. Список литературы: 1. Михайлов А.Н. Общий подход в создании функционально-ориентированных и интегрированных технологий машиностроения // Машиностроение и техносфера XXI века. Сборник трудов XII международной научнотехнической конференции в г. Севастополе 12-17 сентября 2005 г. В 5-ти томах. – Донецк: ДонНТУ, 2005. Т. 2. С. 261-275. 2. Михайлов А.Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий. – Донецк: ДонНТУ, 2009. – 346 с.

К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НАНЕСЕНИЯ ВАКУУМНЫХ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ИНСТУМЕНТЫ ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ Михайлова Е.А., Михайлов А.Н., Мазур И.Ю. (кафедры ГЗТЛ и ТМ, ДонНТУ, Донецк, Украина) Введение. В настоящее время в машиностроении широко используются различные методы повышения эксплуатационных свойств инструментов [1, 2] из быстрорежущей стали. Особенно эффективным для решения этих вопросов является применение вакуумных ионно-плазменных покрытий поверхностей инструментов. Однако нанесение покрытий на поверхности инструмента является сложным процессом. Решению этого вопроса посвящен ряд работ [3]. Вместе с тем, эти вопросы требуют дальнейшего исследования и изучения особенностей. Цель данной работы заключается в повышение производительности технологических систем для напыления вакуумных ионно-плазменных покрытий на осевые инструменты из быстрорежущей стали за счет обеспечения рациональной концентрации и структуры рабочих позиций установки. В соответствии с поставленной целью в работе планируется решить следующие задачи: разработать структурно-логические выражения по определению основных параметров производительности в зависимости от структуры технологической системы, исследовать особенности структурных вариантов техно-

40

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

логической системы и определить их влияние на параметры производительности, представить зависимости параметров производительности от особенностей процесса нанесения покрытий осевых инструментов из быстрорежущей стали. Результаты и обсуждения. Можно отметить, что проблема повышения производительности выполняется особенно эффективно за счет широкого применения принципа концентрации рабочих позиций в технологической системе. Однако использование этого принципа должно базироваться на основных особенностях структуры рабочих позиций в вакуумной камере и параллелизме реализации технологических воздействий на предметы обработки. В этом случае общее количество рабочих позиций определяется по следующей формуле: p

vi   vik ,

(1)

k 1

где vi - общее количество рабочих позиций технологической системы; vik - количество позиций в подсистемах k – го класса установки; p - количество классов подсистем установки. Количество классов подсистем и количество позиций в подсистемах установки оказывает существенное влияние на общее количество рабочих позиций. Поэтому на базе этих параметров, возможно, вести решение вопросов обеспечения заданной производительности технологической системы. Для обеспечения принципа параллелизма при нанесении покрытий на осевые инструменты (фрезы) в вакуумной камере необходимо определенным образом расположить рабочие позиции и реализовать их необходимую кинематику движений в технологической системе. Эти вопросы решаются с помощью обеспечения параллельно действующей структуры рабочих позиций в вакуумной камере. Принцип концентрации изделий в технологической зоне обеспечивает возможность параллельного нанесения покрытий на осевые инструменты из быстрорежущей стали. Следует отметить, что для реализации принципа концентрации, обеспечения заданной структуры рабочих позиций и выполнения процесса напыления, вакуумных ионноплазменных покрытий необходимо реализовать необходимую кинематику движения рабочих поРис. 1. Зависимость цикловой производительности от зиций, подсистем и всего параметров длительности полного технологического поворотного устройства. цикла нанесения покрытий: а – основного времени, б – Выполнение этих движевспомогательного времени ний необходимо для осуществления равномерности нанесения покрытий на поверхности для всех изделий в процессе и исключения влияния эффекта «теневая зона», так как в вакуумной камере располагается боль-

41

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

шое количество изделий. А так же это потребно для выполнения стабильности других параметров технологического процесса. Можно отметить, что состав структуры рабочих позиций оказывает существенное влияние на цикловую производительность технологической системы. Она находится в функциональной зависимости от числа классов подсистем и от количества позиций в каждой подсистеме. Однако при формировании структуры элементов и подсистем поворотного устройства следует учитывать компактность рабочих позиций в технологической зоне. От этого критерия зависит общая производительность всей технологической системы. Поэтому процесс проектирования поворотного устройства следует вести с учетом компактности на базе принципов пространственной ориентации и функциональной ориентации рабочих позиций в вакуумной камере. Заметим, что на цикловую производительность оказывает существенное влияние длительность полного технологического цикла нанесения покрытий на осевые инструменты. К примеру, для установок типа Булат (Булат – 3, Булат – 6, ННВ 6.6-И1), длительность полного технологического цикла может достигать от одного до двух часов. Общая длительность полного технологического цикла зависит от двух составляющих, а именно основного и вспомогательного времени технологического воздействия [3]. Эти параметры на практике могут быть различны. Это зависит от особенностей оборудования, параметров его эксплуатации и обслуживания. На рис. 1 представлена зависимость цикловой производительности установки от параметров длительности полного технологического цикла нанесения покрытий. Здесь, на рис. 1,а показана зависимость цикловой производительности от основного времени технологического воздействия для структурного варианта, представленного вариантом 3

структуры Str4  

3

 yi  i 2 ,  i1  , для различных значений вспомогательного вре-

 i 2 1  i1 1

мени. На рис. 1,б показана зависимость цикловой производительности от вспомогательного времени технологического воздействия для структурного варианта, представ6

ленного вариантом структуры Str3  

3

 yi  i 2 ,  i1  , для различных значений ос-

 i 2 1  i1 1

новного времени. Проведенные экспериментальные исследования позволили определить зависимость скорости напыления нитрид титанового покрытия на осевой инструмент из быстрорежущей стали от некоторых параметров, а именно: в зависимости от тока дуги I Д для фиксированных значений углов наклона продольных осей изделий; и от угла наклона продольной оси изделия для фиксированных значений тока дуги I Д . Эти данные были получены на установке Булат – 6 со специально модернизированным поворотным устройством [2]. Они дают возможность определять параметры нанесения покрытий от технологических параметров установки. Для определения влияния скорости напыления покрытия поверхностей осевого инструмента на цикловую производительность установки проведены специальные исследования. Эти исследования выполнялись при следующих параметрах процесса: vi  8, t o1  0 c, t o 2  600 c, t o 4  900 c, t a  1500 c . Они позволили определить зависимость цикловой производительности вакуумной ионно-плазменной установки от скорости напыления покрытия на осевой инструмент для нескольких вариантов толщин покрытий, а также зависимость толщины напыляемого покрытия на осевой инструмент от уг-

42

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ла наклона оси изделия к направлению потока плазмы. Данные исследования выполнены для следующих параметров процесса: t o1  0 c, t o 2  600 c, t o 4  900 c, vk  0,3  102 iei, t a  1500 c , а также при фиксированных параметрах тока дуги. Выводы. В заключении можно отметить, что выполненные исследования позволили разработать структурно-логические выражения по определению основных параметров производительности в зависимости от структуры технологической системы. А это дает возможность выявлять наиболее рациональные структурные варианты компоновки рабочих позиций в вакуумной камере технологической системы. А также в данной работе исследованы особенности структурных вариантов технологической системы и определено их влияние на параметры производительности. При этом полученные зависимости параметров производительности от особенностей процесса нанесения покрытий на осевой инструмент из быстрорежущей стали позволяют производить направленный поиск структурных вариантов технологической системы для определенных конкретных практических условий нанесения покрытий на различные изделия.

Список литературы: 1. Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент / Ю.Н. Внуков, А.А. Марков, Л.В. Лаврова, Н.Ю. Бердышев. – К.: Тэхника, 1992. – 143 с. 2. Михайлов В.А., Михайлова Е.А. Специальные ионно-плазменные вакуумные покрытия изделий машиностроения // Инженер. Студенческий научнотехнический журнал. – Донецк: ДонНТУ, 2004. №5. С. 12 – 16. 3. Михайлов А.Н., Михайлов В.А., Михайлова Е.А. Основы формообразования и повышения производительности при напылении вакуумных ионно-плазменных покрытий изделий машиностроения // Прогресивні технології і системи машинобудування: Міжнародний зб. наукових праць. – Донецьк: ДонНТУ, 2005. Вип. 29. С. 132-147

СТРУКТУРНОЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ОПЕРАЦИЙ ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОАППАРАТУРЫ Пономаренко А.А. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Главной целью развития производственной техники, относящейся ко всем производствам, является повышение важнейшего экономического показателя, который характеризует отношение суммарной отдачи за определенное время использования данной техники к суммарным затратам за то же время. Уменьшение данных затрат возможно за счет максимального развития важнейших характеристик технологических машин, а именно автоматизма и непрерывности. Обеспечение высоких показателей данных характеристик непосредственно связано с широким внедрением принципиально новых машин, так называемых роторных и роторно-конвейерных машин в которых транспортное движение предметов обработки непрерывно и не ограничивается технологическими факторами. Технологические системы непрерывного действия, выполненные на базе роторных и роторно-конвейерных машин, особенно эффективны при массовом производстве, что относит их в разряд одних из наиболее перспективных форм организации производства изделий, а значит

43

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

разработка структурного и технологического обеспечения для данных машин является очень актуальной задачей. В настоящее время в промышленности широко используются различные элементы гидроаппаратуры, такие как: гидрораспределители, гидроклапаны, гидроцилиндры, гидрозамки (рис. 1).

Рис. 1. Гидрозамок ГЗ 8.3-ДА 01 УХЛ1 Эксплуатационными показателями качества рабочих поверхностей, которые определяют эксплуатационные свойства деталей гидравлического оборудования, являются следующие характеристики: характер шероховатости и микропрофиля в зоне контакта; микротвердость; глубина микроуглублений. Эти параметры поверхностного слоя деталей гидроаппаратуры определяют такие эксплуатационные свойства, как момент страгивания контактирующих поверхностей и ресурс работоспособности (количество срабатываний до отказа – число циклов полного хода в двух направлениях). Для получения этих показателей необходимо обеспечивать равномерность физико-механических свойств поверхностных слоев материала и минимальное искажение геометрии, что может быть достигнуто различными методами отделочной обработки (доводка, полирование, хонингование, суперфиниширование, тонкое точение, растачивание и фрезерование). Применение данных методов отделочной обработки, а также использование автоматической роторной линии, как средства комплексной автоматизации производства, позволят получить требуемые характеристики поверхности изделий, а также автоматизировать технологический процесс, что сведет время изготовления деталей гидроаппаратуры к минимуму. Заданный процесс обработки, в зависимости от номенклатуры производства, возможно реализовать с помощью следующих конструктивных схем исполнения рабочих роторов [1]: - с помощью группы одинаковых блоков рабочего инструмента воздействующего на предметы обработки одного вида (рис. 2)

44

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 2. Схема однопоточных однономенклатурного ротора - с помощью группы различных блоков рабочего инструмента воздействующего на предметы обработки различных видов (рис. 3)

Рис. 3. Схема однопоточного многономенклатурного ротора Как в первом, так и во втором случае конструктивного оформления рабочих роторов производительность их будет зависит от количества предметов обработки, одновременно находящихся в одном блоке рабочего инструмента. Такие роторные машины называются однопоточными [1]. Также заданный технологический процесс можно реализовать, используя многопоточные роторы (рис. 4)

45

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 4. Схемы многопоточных роторов: а –однономенклатурного, б –многономенклатурного Рабочие роторы, выполненные по представленным выше схемам, предназначены для одновременной обработки нескольких изделии одного или различных видов. Такие роторы называются многопоточными. В них предметы обработки подаются в один блок рабочего инструмента комплектно, сразу по несколько штук [2, 3]. Инструмент, как правило, монтируется комплектно в предварительно налаживаемых (вне рабочих машин) блоках, сопрягаемых с исполнительными органами ротора преимущественно только осевой связью, что обеспечивает возможность быстрой замены блоков. Принципиальная схема многономенклатурной автоматической роторной линии для отделочной обработки элементов гидроаппаратуры представлена на рис. 5 [4].

46

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 5. Принципиальная схема многономенклатурной роторной линии: 1 – питающие устройства; 2 – транспортный ротор; 3 – рабочий ротор; 4 – приёмные устройства Рабочий ротор представляет собой жёсткую систему, на которой монтируется группа орудий, равномерно расположенных вокруг общего вращающего систему вала. Необходимые рабочие движения сообщаются этим орудиям исполнительными органами, для малых усилий применяются механические исполнительные органы, для больших — гидравлические (например, штоки гидравлических силовых цилиндров). Транспортные роторы принимают, транспортируют и передают изделия. Они представляют собой барабаны или диски, оснащенные несущими органами. Чаще применяются простые транспортные роторы, имеющие одинаковую транспортную скорость, общую плоскость транспортирования и одинаковую ориентацию предметов обработки. Для передачи изделий между рабочими роторами с различными шаговыми расстояниями или различным положением предметов обработки предназначены транспортные роторы, которые могут изменять угловую скорость и положение в пространстве транспортируемых предметов (рис. 6). Рабочие и транспортные роторы соединяются в линии общим синхронным приводом, перемещающим каждый ротор на один шаг за время, соответствующее темпу линии [2, 3]. В роторе, представленном выше захватные органы 5 выполнены в виде кривошипных рычагов, один конец которых снабжен подпружиненными губками 4 для удержания предмета обработки 8, а другой — зубчатым Рис. 6. Транспортный ротор с изменением ориента- колесом 6. Захватные органы ции предметов обработки и высоты траектории их установлены в диске 7, причем их зубчатые колеса сопотока прягаются с зубчатыми рей-

47

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ками 3, установленными на подвижных ползунах 9. Ползуны размещены в осевых пазах барабана 2, а ролики ползунов взаимодействуют с неподвижным цилиндрическим пазовым кулачком 1. При вращении ротора ползуны совершают возвратнопоступательные движения, преобразуемые посредством зубчато-речного зацепления во вращательные движения захватных органов. Таким образом, при приеме предмета обработки, например, на более высокой траектории потока плечо захватного органа устанавливается в верхнем положении. При последующем вращении ротора захватный орган повернется и его плечо окажется в нижнем положении, т.е. высота траектории потока изменится, при этом предмет обработки будет повернут на 180° относительно своей поперечной оси, т.е. изменит и свою ориентацию. Если в данной конструкции ротора захватные органы выполнить асимметричными, без кривошипного колена, то такой транспортный ротор будет осуществлять только переориентацию предметов обработки без изменения высоты траектории их потока [6,7]. Проектирование роторных линий для отделочной обработки элементов гидроаппаратуры на основе приведенных принципиальных схем, а также внедрение их в производство дает возможность во много раз повысить технико-экономические показатели: увеличить производительность, уменьшить себестоимость. Становится возможным реализовать комплексную автоматизацию производства, что позволит сэкономить материальные и человеческие ресурсы. Очень перспективным является дальнейшее изучение данных систем, а также их практическая их реализация. Список литературы: 1. Клусов И.А. Проектирование роторных машин и линий: Учеб. пособие для студентов машиностроит. спец. вузов - М.: Машиностроение, 1990 320 с. 2. Кошкин Л.Н. Роторные и роторно-конвейерные линии - М.: Машиностроение, 1982 - 236 с. 3. Прейс В.В. Технологические роторные машины вчера, сегодня, завтра М.: Машиностроение, 1986 - 128 с. 4. Клусов И.А. и др. Автоматизация сборочных процессов на роторных линиях - Киев, 1967 - 408 с. 5. Кошкин Л.Н. Комплексная автоматизация производства на базе роторных линий - М.: Машиностроение, 1972 - 258 с.

6. Клусов И.А. и др. Автоматические роторные линии - М.: Машиностроение, 1987 256 с. 7. Кошкин Л.Н. Автоматические линии роторного типа: Конструкции, расчёт и проектирование/ А.Н. Кошкин, И.А. Клусов, В.В. Прейс - Тула, ЦБТИ, 1961 - 198 с.

8. Михайлов А. Н. Основы синтеза поточно-пространственных технологических систем. - Донецк: ДонНТУ, 2002. - 379 с.

ПРОЕКТИРОВАНИЕВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ СИСТЕМЫКОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА АВТОМОБИЛЯ Полуянович Н.К., Соловьёв М.А. (кафедра ЭиМ ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) Кондиционирование обеспечивает автоматическое поддерживание необходимых кондиций воздушной среды в салоне автомобиля. Кондиция воздуха включает в себя следующие параметры: температуру, влажность, скорость движения, чистоту, содержание запахов, давление, газовый состав и ионный состав. При проектировании.в зависимости от назначения выбирают требуемые кондиции воздушной среды, наиболее важные для конкретных условий их применения[1]. Кондиционирование воздуха обеспечивается применением специальных систем [1]. Под термином системы кондиционирования воздуха (СКВ) подразумевается ком-

48

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

плекс устройств, предназначенных для создания и автоматического поддержания в салоне автомобиля величин параметров воздушной среды. Проектируемые автомобильные СКВ являются комфортными, они должны обеспечить наиболее благоприятные условия для водителя и пассажиров. Работоспособность и самочувствие человека в значительной мере определяются тепловым балансом его организма и наиболее оптимальны в условиях окружающей воздушной среды на уровне теплового комфорта. Выбор программы и разработка алгоритма. Важной задачей проектирования является исследование процесса охлаждения (нагрева) салона автомобиля и влияния происходящих процессов на человека, в работе, была использовано программа STAR-CCM+, рис.1.

Рис.1. Демонстрация пересечений свободных граней Комплекс предназначен для решения задач механики сплошных сред и обеспечивает небывалую точность, надежность и гибкость при решении задач вычислительной механики сплошных сред. В качестве исходного материала была использована высокополигональная трехмерная модель HondaCivic созданная в 3D StudioMax, которая в процессе была доработана до требований программы моделирования. 3D модель имела исходный тип файлов *.max для импортирования в программу STAR-CCM+, была конвертирована в тип поверхностной сетки *.stl. Модель для расчета имеет вид рис.1.Для выбора физической модели процессов, которые будут происходить в салоне автомобиля задаются начальные условия для области и границ (рис.1). В программе STAR-CCM+ области и границы имеют свои свойства в зависимости от того какой способ начальных параметров задан[2]. Используемые уравнения. Для моделирования движения воздуха используем уравнение Навье-Стокса:

49

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

где – вектор скоростей; P – давление; t – время; – молярная вязкость; – турбулентная вязкость; – плотность воздуха; – ускорение свободного падения; – коэффициент объемного расширения воздуха. Алгоритм работы система автоматического кондиционирования. Степень открытия заслонки воздушного смесителя устанавливается по заданным характеристикам. По ним определяется степень открытия, соответствующая вычисленной температуре воздуха на выпуске, рис.2. Регулирование температуры воздуха (от холодного до теплого) обеспечивается изменением состава смеси из охлажденного и нагретого потоков воздуха.

Рис.2. Алгоритм управления климат - контролем автомобиля Положение заслонки воздушного смесителя плавно регулируется от полностью открытого состояния до полностью закрытого мембраной сервомеханизма, приводимой в действие разрежением. Сервомеханизм связан с потенциометром, сигнал которого пропорционален степени открытия заслонки. В результате образуется сигнал обратной связи, позволяющий сделать близкими реальную и вычисленную степени открытия заслонки рис.2.Спроектирована система управления системой кондиционирования воздуха автомобиля, структурная схема которой представлена на рис.3.Создана программа реализующая описанный алгоритм, рис.2.

50

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис.3.Структура ЭБУ автоматического кондиционирования Заключеие. Спроектирована СУ системой кондиционирования воздуха автомобиля. Разработан алгоритм решения уравнений модели. Создана программа реализующая описанный алгоритм. Предложена модель, описывающая движение воздуха в салоне автомобиля, учитывающая влияние тепла на движение потоков воздуха. Список литературы: 1. Ясинский Ф.Н., Кокорин А.С. Математическое моделирование процессов вентиляции и отопления в больших производственных, культурных и спортивных помещениях. - Вестник ИГЭУ, вып. 3, 2010. 2. Аверкова О.А. Вычислительный эксперимент в аэродинамике вентиляции. Белгород: Изд-во БГТУ, 2011, 110 с.

3. Числительные методы и параллельные вычисления для задач механики, газа и плазмы: Учеб. Пособие/Э.Ф. Балаев, Н.В. Нуждин, В.В. Пекунов и др.; ИГЭУ – 2003

51

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ПЛАСТМАССОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Попов А.С., Рыбинская Т.А. (кафедра механики, ТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) Пластмассовый двигатель. Еще не реальность, уже не фантастика. В 1984 году, желающих понаблюдать за одним из этапов гоночной серии IMSA Camel GT, собралось необычайно много. Их интерес объяснялся не столько спортивным азартом, сколько самым обычным человеческим любопытством. Широкой публике стало известно, что мотор одного из участников заезда – белого Polimotor Lola T616, почти полностью выполнен из пластика. Рационализации подвергся обычный мотор Cosworth BDA, после чего он стал весить 76 кг, вместо 150. Болид с пластиковым мотором участвовал в шести гонках в 1984 и 1985 годах. И только однажды, из-за отказа шатунов, команду постигла серьезная неудача. За судьбу необычного болида, как никто, болел Матти Хольцберг. По-другому и не могло быть. Ведь именно он был тем человеком, который разработал и воплотил в жизнь пластиковый мотор. Как всё началось. Матти Хольцберг был хозяином автомастерской. Из титана и магниевых сплавов изготавливал различные детали для заряженных гоночных агрегатов, что приносило ему неплохой и стабильный доход. Наличие конкурентов подталкивало Хольцберга на поиски новых решений. В 1969 году, в одном из научных журналов, он прочел статью, рассказывающую о полиамид-имидной смоле Torlon (торлон) (рис. 1). Это материал, который весит почти в два раза меньше титана, был создан учеными корпорации Amoco Chemicals. Торлон имеет необычайно высокую твердость и способен выдерживать просто фантастические для пластика температуры.

Рис. 1. Строение молекулы торлона В скором времени Матти Хольцберг сделал из торлона поршень для двигателя Austin Mini. Работа мотора была безукоризненной в течение 20 минут. Позже выяснилось, что поршень разрушился из-за чрезмерного нагревания его верхней части. Поэтому на поршень была изготовлена тонкая коронка из алюминия. В результате, поршень из торлона ни в чем не уступал стальному. Новый эксперимент с торлоновым шатуном порадовал Хольцберга еще больше: предельные обороты двигателя (рис. 2) поднялись с 5 до 7 тысяч, а уровень максимальной мощности вырос почти втрое! Такие успехи вдохновили Хольцберга, и он приступил к изготовлению штанг толкателей клапанов, тарелок клапанных пружин и самих пружин. Испытанный на стенде мотор превзошел все ожидания: время его работы составило 600 часов, по сравнению с 300 часами работы традиционного двигателя. Поскольку метод традиционной обработки заготовок оказался неподходящим в случае с пластиком, Хольцберг разработал новый метод точного отливания готовых изделий. Будучи непрофессионалом, в домашних условиях, он добился полного

52

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

удаления из отливки микроскопических воздушных пузырьков, а также нужной ему ориентации армирующих волокон внутри заливки. Для получения такого же результата на стальных деталях, нужно было прибегнуть к сложной закалке.

Рис. 2. Двигатель с торлоновыми деталями Сотрудничество с Ford: новые горизонты. В 1979 корпорация Ford заключила контракт с Матти Хольцбергом. Специально для Хольцберга была создана компания Polimotor Research, в штат которой вошли 8 инженеров. Группу разработчиков, возглавляемую Матти Хольцбергом, обеспечили всем необходимым для работы: материалами, аппаратурой, технической документацией и чертежами. Согласно контракту, Матти и его группе нужно было за год создать пластиковый прототип-модель четырехцилиндрового мотора Ford Pinto 2.3. Через 4 месяца группа разработчиков заказанную пластиковую модель. В сводной таблице значилось: 69 кг массы против 188 кг стального двигателя, 318 л.с против 88 у стального, 9200 об/мин (максимальное значение 14 тыс.) против 5500 стального. В прототипе мотора, представленного Хольцбергом и его группой, стальными пока так и остались: коленвал, распредвал, коронки поршней, инжекторы, гильзы цилиндров и клапанные пружины. Новый двигатель, кроме уже перечисленных преимуществ, отличался и поразительно тихим звучанием. Испытания на стенде подтвердили и высокую прочность всей пластиковой конструкции. Вскоре по распоряжению высшего менеджмента Ford Motor Company проект был закрыт, а его финансирование полностью прекращено. Сейчас современный автомобиль содержит примерно 150 кг пластика. Но все основные элементы конструкции все равно производятся из металла: двигатель, трансмиссия, ходовая часть. Объясняется это довольно просто: нагрузка и жесткие

53

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

температурные условия накладывают повышенные требования к прочности материалов. Но потенциал пластмассового двигателя огромен. Применение пластмасс в автомобилестроении Из миллиона тонн пластмасс, используемых ежегодно европейскими конструкторами в автомобилестроении, 15% идет на детали, расположенные под крышкой моторного отсека, где тепло, механические нагрузки и химические воздействия создают особо тяжелые условия работы. Несмотря на то, что здесь опыт использования пластмасс у конструкторов ограничен по сравнению с опытом использования металлов, в некоторых частях, например, в системе охлаждения, пластик утвердился прочно. На более чем 80% европейских автомобилей устанавливаются бачки радиатора из нейлона, армированного стекловолокном. Кроме того, при такой конкуренции в снижении затрат, как в автомобилестроении, возможность соединять секцию радиатора с бачком только давлением, не прибегая к алюминиевой спайке, представляет бесспорное преимущество. Вентиляторы радиатора обычно изготавливают из термореактивных полимеров, потому, что они весят меньше, чем вентиляторы из алюминия. Кроме того, они делаются за одну операцию штамповки, после чего их не надо балансировать и подвергать механической обработке, а в настоящее время корпусы насоса, внутренние детали и суппорт термостата также делаются из армированных фенопластов. Таким образом, после штамповки получаются готовые детали, которые не требуется просверливать механически и на которые не действуют охлаждающие жидкости. Воздуховоды, полученные одной операцией штамповки из фенопластов, весят меньше литых деталей из алюминия, имеют очень гладкие внутренние поверхности и, следовательно, увеличивают поток воздуха, лучше работают и более экономичны. В целом, преимущества термореактопласта можно сформулировать так: - высокая химическая устойчивость, особенно к бензинам, маслам, воде и гликолю, соленой воде; - низкая водопроницаемость; - высокая поверхностная твердость; - низкая плотность (1.4-2.1 кг/дм3); - очень низкий коэффициент линейного термического расширения (15-35 х 10V°C); - превосходная пространственная стабильность; - очень высокое сопротивление сжатию (200-300 МПа); - высокий модуль сопротивления изгибу (10.000-20.000 МПа) даже при температурах свыше 200° С. Недостатки пластмассового двигателя: - дороговизна производства; - трудность при серийном производстве; - не поддается традиционной обработке. Таким образом, на сегодняшний день торлон является самым твердым термореактивным пластиком в мире, обладающим при этом беспрецедентной термоустойчивостью: торлоновые детали могут работать без потери свойств при температурах до 290°С. Торлон легок и имеет низкий коэффициент трения. Он негорюч и отлично противостоит воздействию многих агрессивных химических веществ. Имеет высокую размерную стабильность, рекомендуется для точного литья. В промышленности применяется более 20 рецептур композитов на основе торлона. Конечно, использование торлона в автомобилестроении делает очень трудным

54

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

серийный выпуск автомобилей с двигателем из полиамид-имида. Но, он находит широкое применение для гоночных автомобилей, в производстве деталей электродвигателей, теплостойких деталей автомобилей, в сепараторах подшипников, уплотнении, из торлона делают качественное оборудование для нефтяной и газовой промышленности, в авиационной и космической технике, в тяжёлом машиностроении и энергетике (лопатки вращающегося компрессора), а также для производства оправки для металлических банок, гнезда и панели для печатных плат, подставка для приваривания на стаканчиках. Список литературы: 1. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. Скорость сгорания и рабочий цикл двигателя. – Л.: Приборостроение, 1979. 2. Хачиян А.С. и др. Двигатели внутреннего сгорания.

– М.: Транспорт, 1985.

3. http://avtosweet.ru/2011/03/plastmassovyj-dvigatel/

ТЕХНОЛОГИЯ СИНТЕЗА И ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА Пугачёв А.Д. (ДГТУ, г.Ростов-на-Дону, Россия) 1.Цитратный метод (метод Туркевича) Впервые цитратный метод Туркевич с коллегами применил в 1951 г. для получения наночастиц (НЧ) золота [1]. Суть метода в восстановлении золотохлороводородной кислоты в водном растворе цитратом натрия при кипячении. По данным электронной микроскопии полученные НЧ имели сферическую форму, узкое распределение по размерам и средний диаметр 18.5-21.5 нм. В дальнейшем П.С. Ли и Д. Мейзель применили метод Туркевича для синтеза НЧ серебра [2]. В отличие от НЧ золота частицы серебра характеризовались широким распределением по размерам (60-200 нм) [3]. В цитратном методе растворителем, как правило, является вода [4], реже водноорганические среды [5]. Лимонная кислота и ее анион (цитрат-анион) в методе Туркевича выступают не только в роли восстановителя, но также стабилизирующим агентом, что осложняет экспериментальный подбор оптимальных концентраций реагентов (их изменение влияет одновременно на скорость восстановления и на скорость формирования коллоидных частиц [3]). Поэтому для получения золей серебра с узким и воспроизводимым распределением НЧ по размерам требуются дополнительные исследования. Подобные золи находят применение в метрологии наночастиц для приготовления стандартных образцов, производство которых в России ограничено, а поставки импортных препаратов не покрывают потребностей отечественных наноцентров и экономически не всегда обоснованы. Проблема актуальна 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. Целью проведенных исследований ставилась отработка методики синтеза, подбор и оптимизация условий для получения стабильных коллоидных растворов с узким распределением НЧ серебра по размеру – от 1 до 100 нм. В водных растворах синтез НЧ серебра из нитрата серебра и цитрата натрия по методу Туркевича осуществляется по схеме: Ag+ + NO3- + 3Na+ + C3H5O(COO)33- → (C3H5O(COO)33- )r/ Ag0n + NaNO3 . Формирование коллоидных частиц серебра и их агломератов показано на рис. 1.

55

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Поскольку скорость химической реакции зависит в общем случае от концентраций реагирующих веществ и температуры, размер получающихся в методе Туркевича НЧ зависит от величин и соотношения концентраций реагентов, температурных условий синтеза, интенсивности и времени перемешивания, других факторов. Ключевым результатом проведенной работы является: разработка методики получения раствора НЧ серебра цитратным методом с унимодальным распределением частиц диапазоне до 100-150 нм, что в дальнейшем позволит адаптировать данный метод для приготовления калибровочных растворов. Типовая методика заключалась в том, что 25 мл раствора AgNO3 и 100 мл раствора Na3C6H5O7 нагревались до нужной температуры. Горячие растворы смешивались прикапыванием нитрата серебра к лимоннокислому натрию при непрерывном перемешивании, с последующим кипячением в течение 15 минут и охлаждением. В результате получался золь для последующего анализа. В ходе реакции раствор приобретал светложелтый цвет, затем цвет менялся от оливкового до грязно-серого или коричневого, а при высоких концентрациях растворов наблюдалось интенсивное оседание частиц на стеклянной поверхности стакана, а жидкость становилась прозрачной.

Рис.1. Принципиальная схема эволюции ионов Ag+ в кластеры Agm и наночастицы Agn

При соотношении компонентов [AgNO3]/[Cit]=1/4 раствор начинал желтеть после 10 минут нагревания; «серебряного зеркала» почти не наблюдалось. Результаты седиментационного анализа полученного образца (рис. 2, а) свидетельствуют о том, что средний размер НЧ уменьшается на 25 % с 40 до 30 нм при уменьшении концентраций исходных растворов на порядок. Результаты спектрофотометрии подтверждают результаты седиментационного анализа (рис. 2, б): поглощение с λmax = 420 нм соответствует НЧ серебра с размерами около 30 нм (см. рис 3). Рис. 2, а. Результаты седиментационного анализа образца с соотношением концентраций [AgNO3]/[Cit]=1/4. На графике представлено распределение НЧ по массе в зависимости от размеров. Большинство частиц имеют размер 28 нм

56

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 2, б. Результаты спектрофотометрии образца с соотношением концентраций [AgNO3]/[Cit]=1/4 . Пик поглощения λ = 420 нм

Рис. 3. Зависимость максимума полосы поглощения от диаметра частиц серебра

Рис. 4. Результаты седиментационного образца с соотношением концентраций [AgNO3]/[Cit]=1/5. Видно, что частицы распределены равномерно в диапазоне от 1 до 100 нм. Пик составляет примерно 46 нм

Ключевым результатом проведенной работы является разработка методики получения раствора НЧ серебра цитратным методом с равномерным распределением частиц диапазоне до 100-150 нм, что в дальнейшем позволит адаптировать данный метод для приготовления калибровочных растворов. Также стоит отметить, что себестоимость данного образца достаточно низкая (примерно 1 руб. за 75 мл), что обеспечивает его конкурентоспособность. Для сравнения, 300 мл калибровочного раствора на основе ПВХ от импортного производителя стоит порядка 1000 USD.

57

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

2. Боргидридный метод Синтез НЧ боргидридым методом проводился как водной среде, так и водноорганической (этанол – вода). Суть метода в водной среде заключалась в следующем: к охлажденному (t ≈ 0 0C) раствору NaBH4 при интенсивном перемешивании по каплям добавлялся раствор AgNO3 ([NaBH4]/[AgNO3] = 6/1). Далее посредством седиментационного анализа определялась зависимость распределения частиц по размерам от их массы. Такую методику также реально адаптировать для получения стандартных образцов, т.к. при добавлении одной капли раствора эмульгатора 3646/51 (1 моль эмульгатора на 10 молей воды) полученная золь проявляла стабильность на протяжении нескольких недель. Результаты седиментационного анализа одного из образцов, полученных таким методом, приведены на рис. 5.

Рис. 5. Результаты седиментационного анализа золя серебра, полученного боргидридным методом в водной среде ([NaBH4]/[AgNO3]=6/1). Большинство частиц имеют размеры 6-14 нм, также присутствуют частицы с размерами около 4050 нм.

Синтез в водно-органической среде проводился похожим образом. Отличие заключалось лишь в том, что NaBH4 был растворен в C2H5OH, а отношение концентраций составило [NaBH4]/[AgNO3] =10/1. Результаты седиментационного анализа образца, полученного таким методом, приведены на рис. 6. Рис.6. Результаты седиментационного анализа образца, полученного синтезом в водноорганической среде. Частицы равномерно распределены по массе в диапазоне от 1 до 100 нм.

58

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Золи, синтезированные таким методом, имеют применение в разработке новых химических носителей информации, где НЧ серебра могут служить носителей фотохромных молекул, например, спиропиранов – фотохромных переключателей [7]. Список литературы: 1. J. Turkevic, P.C. Stevenson, J. Hiller. Discuss. Faradey Soc., (11), 55 (1951). 2. P.C. Lee, D. Meisel, J. Phys. Chem., 86, 3391 (1982). 3. Ю.А. Крутяков, А.А. Кудринский, А.Ю. Оленин, Г.В. Лисичкин «Синтез и свойства НЧ серебра: достижения и перспективы», Хим. Фак МГУ, 2008. 4. R.Jin, Y.W.Cao, C.A. Mirkin, K.L. Kelly, G.S. Schatz, J.G. Zheng, Science, 2 94, 1901 (2001). 5. I. Pastoriza-Santos, Luis M. Liz-Marzan, Reduction of silver nanoparticles in DMF. Formation of monolayers and stable colloids / Pure Appl. Chem. (2000). 72, 83–90. 6. Г.Б. Сергеев Нанохимия. М.: 2006 г. 7. Б.С. Лукьянов, Н.А. Волошин, А.В. Метелица и др. Фотохромизм спиропиранов на поверхности раздела фаз // Межд. конф. по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов. Ростов-на-Дону, 2001. С. 42-43.

АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ Соловьёв С.Ю., Медведев В.В. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) В настоящее время в тяжелых условиях производства, таких как угольная и химическая промышленность, где приходится работать во взрывоопасных условиях для обеспечения безопасности производства необходимо создание взрывозащищенного оборудования, основным критерием которого являются повышенные требования к качеству обработки фланцев корпусов, в особенности – к их плоскостности. Наиболее целесообразным видом обработки в данном случае является фрезерование, в процессе которого возникает ряд факторов отрицательно влияющих на качество обрабатываемой поверхности. Поэтому, целью данной работы стало рассмотрение и анализ факторов, влияющих на погрешности поверхностей при обработке фрезерованием и возможные методы их минимизации. В работе рассмотрены следующие показатели погрешностей обработки при фрезеровании: 1. Точность размеров, т. е. соответствием фактических размеров детали размерам, указанным на чертеже.

2. Допустимые отклонения от правильной геометрической формы полученной поверхности (плоскостность, прямолинейность).

3. Отклонением расположения отдельных граней поверхности детали относительно других поверхностей (параллельность, перпендикулярность, отклонение от требуемого угла между плоскостями, симметричность и др.) [1]. Однако при достижении требуемых показателей точности возникают погрешности, обусловленные рядом факторов. В таблице 1 приведены факторы, влияющие на точность поверхности, их причины, проявления и методы борьбы с ними.

59

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица 1. Причины, влияющие на погрешность фрезерной обработки Причина Проявление на изделии Методы борьбы Погрешности станка Неточность изготовле- Неточность размеров, откло- Грамотное техническое ния деталей станка нение от правильной геомет- обслуживание станка, рической формы, отклонение адаптивное управление взаимного расположения по- станком верхностей Износ элементов станка Неточность размеров, откло- Проведение плановонение от правильной геомет- предупредительных осрической формы, отклонение мотров и ремонта оборувзаимного расположения по- дования, наладка оборуверхностей дования Неточности приспособления Неточность изготовле- Неточность размеров, откло- Создание рациональных ния элементов приспо- нение от правильной геомет- схем базирования, наладсобления рической формы, отклонение ка приспособления взаимного расположения поверхностей Износ элементов при- Неточность размеров, откло- Проведение плановоспособления нение от правильной геомет- предупредительных осрической формы, отклонение мотров и ремонта привзаимного расположения по- способления, возможно, верхностей его замена, подналадка схемы обработки Неточность установки Неточность размеров, откло- Наладка оборудования приспособления на ста- нение взаимного расположенок ния поверхностей Погрешности инструмента Неточность изготовле- Неточность размеров, откло- Наладка оборудования, ния нение взаимного расположе- применение более точнония поверхностей го инструмента Износ инструмента Неточность размеров, откло- Переточка инструмента, нение взаимного расположе- переналадка оборудования поверхностей ния, замена инструмента Погрешность установки Неточность размеров, откло- Наладка оборудования нение взаимного расположения поверхностей Жесткость технологической системы Жесткость станка Неточность размеров, откло- Затяжка клиньев всех нанение от правильной геомет- правляющих, выборка рической формы, отклонение люфтов и стопорение элевзаимного расположения по- ментов стола, не участверхностей вующих в рабочей подаче Жесткость приспособле- Неточность размеров, откло- Изменение конструкции ния нение от правильной геомет- приспособления, изменерической формы, отклонение ние схемы установки

60

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Причина

Проявление на изделии Методы борьбы взаимного расположения поверхностей Жесткость инструмента Неточность размеров, откло- Подбор жесткого инструнение от правильной геомет- мента, применение дорической формы полнительного приспособления, корректировка режимов резания Жесткость детали Неточность размеров, откло- Применение дополнинение от правильной геомет- тельного (другого) прирической формы, отклонение способления, конструквзаимного расположения по- тивная доработка детали, верхностей применение специальных методов обработки Вибрации технологиче- Неровности поверхности (ше- Повышение жесткости ской системы роховатость), волнистость по- технологической систеверхности мы, применение различных средств гашения вибраций, применение СОТС Тепловые деформации элементов технологической системы Нагрев инструмента Неточность размеров Применение СОТС, корректировка режимов резания Нагрев оборудования Неточность размеров, откло- Поддержание постоянной нение от правильной геомет- температуры и влажности рической формы, отклонение воздуха помещения, совзаимного расположения по- блюдение правил эксверхностей плуатации оборудования Неточности заготовки Неточность установки Неточность размеров, откло- Наладка приспособления, заготовки в приспособ- нение от правильной геомет- применение разметочных ление рической формы, отклонение операций, применение взаимного расположения по- электронных щупов при верхностей станке Нестабильность глубины Перенос формы заготовки на Увеличение жесткости резания форму детали (технологиче- технологической систеская наследственность) мы, корректировка режимов резания Наличие остаточных на- Нарушение формы заготовки Корректировка технолопряжений в заготовке (коробление, изогнутость), гического процесса, ввод появление трещин операций снятия остаточных напряжений Следовательно, точность изделий при обработке фрезерованием зависит от многих факторов, от которых невозможно полностью избавиться. Так, нельзя избавиться от неточности изготовления деталей станка и приспособления ввиду того, что даже при самом тщательном их изготовлении существуют погрешности размеров в пределах по-

61

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

лей допусков. Также невозможно избежать и износа элементов станка, оборудования, инструмента, полностью учесть тепловые деформации и избавиться от вибраций. Таким образом, для предотвращения брака особое внимание следует уделить контролю качества обработки поверхностей. В настоящее время существует достаточное количество способов контроля, отличающихся применяемостью в различных типах производства, своей точностью и универсальностью. Особую актуальность имеют научные разработки, связанные с диагностикой качества изделий в гибком автоматизированном производстве, где важными требованиями является отсутствие человека, достаточно высокая степень точности и универсальность измерения. Вывод. Из всего вышесказанного следует, что параллельно с ростом требований, предъявляемым к качеству изготавливаемой продукции необходимо совершенствование всех элементов входящих в технологическую систему обработки изделия, непосредственно самого технологического процесса и различных дополнительных факторов. В частности, необходимо проводить планово-предупредительные осмотры и ремонты оборудования, соблюдать требования к эксплуатации, проектировать рациональные схемы установки и оптимизировать режимы резания, внедрять новые технологии, обеспечивающие точность изготовления. Также особое внимание необходимо уделить средствам контроля качества обрабатываемых поверхностей. Поскольку именно диагностика качества продукции препятствует возникновению брака, способствует выявлению причин роста погрешностей при обработке и своевременному их устранению, что также в свою очередь влияет на себестоимость изделия и в целом на производительность. Список литературы: 1. Кувшинский В.В. Фрезерование / М.: Машиностроение, 1977. – 240 с. 2. Медведев Ф.В. Моделирование динамики концевого фрезерования // Ф.В.Медведев, Б.Б.Пономарёв, Е.А.Черемных / Міжнародний збірник наукових праць «Прогресивні технології і системи машинобудування». – Донецьк, 2009 – №38 – С.139142. 3. Панасенко В.А. Черновое фрезерование широкохордовых вентиляторных лопаток твёрдосплавным инструментом на станках ЧПУ // В.А.Панасенко, А.Я.Качан, В.Ф.Мозговой / Технология производства летательных аппаратов – Харьков, 2009 – №9 – С.21-26. 4. Мельничук П.П. Анализ траекторий чистовой обработки при 3D фрезеровании на станках с ЧПУ // П.П.Мельничук, В.Б.Струтинский, В.Е.Юмашев / Методи розв’язування прикладних задач механіки деформівного твердого тіла – Дніпропетровськ, 2010 – №11 – С.197-202.

КЛАССИФИКАЦИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Таровик А.Б., Михайлов А.Н. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Решение проблемы снижения металлоемкости изделий привело к появлению всевозрастающего числа входящих в эти изделия деталей, характеризующихся как нежесткие, одну из основных групп которых составляют тонкостенные цилиндрические детали. В настоящее временя в мировой практике металлообработки разработано большое количество методов обработки. По своей сущности они усложнились. Интенсив-

62

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ность протекания процессов разрушения, деформирования, преобразования материала деталей значительно возросла. В разработке и совершенствовании методов обработки имеет место тенденция одновременного воздействия на обрабатываемые заготовки и детали механических нагрузок и химических веществ, теплового или магнитного полей, электрической и лучевой энергии, энергии элементарных частиц и т.д. в различном их сочетании. Накопленный опыт показывает, что не существует универсальных методов обработки деталей из различных конструкционных материалов, так как каждый имеет свою конкретную область рационального применения. Технолог и конструктор должны выбрать высокоэффективный метод обработки из большого числа возможных или создать на основе их совмещения комбинированный метод изготовления детали. В настоящее время во всех ведущих отраслях машиностроения все в больших масштабах применяют высокоэнергетические и комбинированные методы обработки материалов. Эти методы развиваются быстрыми темпами не только в силу своей относительной молодости, наличия задела еще не реализованных идей и возможностей, универсальности используемых энергоносителей, но и главным образом благодаря развитию современного машиностроения. Под методом обработки понимают комплекс условий, характеризующих взаимодействие обрабатывающей среды или инструмента и обрабатываемой заготовки (детали), используемых для решения одной или совокупности технологических задач: изменения формы, размеров и взаимного расположения элементов детали, состояния и свойств ее материала, поверхности и поверхностного слоя. Метод обработки определяется видом затрачиваемой энергии, классом производительности и сущностью процесса формообразования, типом применяемого инструмента или обрабатывающей среды и их характеристикой, кинематикой процесса и его схемой. Классификация методов обработки может осуществляться по ряду признаков: по виду применяемой энергии, физической сущности процесса обработки, по технологическому назначению, производительности формообразования, виду применяемого инструмента, оборудования и др. [1]. На рис. 1 представлена классификация методов обработки изделий по виду затрачиваемой энергии. По виду применяемой энергии различают следующие методы обработки: механической обработки (М), химической (Х), электрической (Э), термической (Т), магнитной (Мг), лучевой (Л), акустической (Ак), комбинированные методы обработки (К). В настоящее время особый интерес для практики изготовления изделий в машиностроении представляет комбинированные методы обработки. Это связано с тем, что традиционные методы исчерпали свои возможности и не позволяют существенно повышать параметры свойств изделий. Это особенно остро стоит для обработки тонкостенных цилиндрических изделий. Методами комбинированной обработки называют методы, в которых процесс преобразования, нанесения или удаления обрабатываемого материала происходит в результате протекания двух и более воздействий, осуществляемых по своему механизму [2].

63

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 1. Классификация методов обработки по виду затрачиваемой энергии На рис. 2 представлена классификация комбинированных методов обработки изделий по виду затрачиваемой энергии.

Рис. 2. Классификация комбинированных методов обработки по виду применяемой энергии К комбинированным методам обработки относят следующие методы [1,3]: - методы механохимической обработки (МХ); - электрохимическая обработка (ЭХ); - механотермическая обработка (МТ); - методы электромеханической обработки (ЭМ); - механомагнитная обработка (ММг); - методы механоакустической обработки (МАк); - химико-термическая обработка (ХТ); - механоэлектрохимическая (МЭХ);

64

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

- методы механохимико-термической обработки (МХТ) и др. На рис. 3 представлена классификация комбинированных методов обработки изделий.

Рис. 3. Классификация комбинированных методов обработки изделий Комбинированные методы обработки подразделяются: 1. По количеству методов (два метода, три метода, …, семь методов).

2. По количеству операций в каждом методе (одна операция, две операции, …, nопераций).

3. По сущности процесса.

4. По технологическому назначению все методы могут быть разделены на методы размерной и безразмерной обработки. В первом случае метод и условия обработки определяют форму и размеры обрабатываемой детали, во втором – имеют место лишь изменения качества поверхности (шероховатости и физико-механических свойств поверхностного слоя), а изменение размеров носит случайный характер и управляется параметрами процесса обработки. Размерная обработка также сопровождается изменением качества обработанной поверхности.

5. По виду применяемого инструмента и оборудования.

6. По структуре (ветвящаяся, иерархическая, мультипликативная, аддитивная, …, мультипликативно-аддитивная).

7. По характеру действия (последовательно, параллельно, смешанно).

8. По производительности (низкой, нормальной, высокой, сверхвысокой).

9. По эффективности.

10. По прецизионности (низкой, нормальной, высокой, особо высокой).

11. По возможности гибридизации.

12. По последовательности выполнения (1-й вариант, 2-й вариант, …, n-й вариант).

65

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Выводы. Выполнена классификация методов обработки по виду применяемой энергии. Представлена классификация комбинированных методов обработки изделий. Эта классификация дает возможность технологу назначать необходимые виды комбинированной обработки тонкостенных цилиндрических изделий. Установили, что создание комбинированных методов обработки основывается на одновременном или последовательном использовании различных видов энергии и вызываемых ими соответствующих физико-химических эффектов. Использование комбинированных методов обработки приводит к повышению как производительности обработки, так и качества детали. В ряде случаев освоение комбинированных способов обработки позволяет достигнуть новых технических эффектов, например, значительно увеличить прочность, износостойкость и другие эксплуатационные параметры деталей. Список литературы: 1. Бабичев А.П. Физико-технологические основы методов обработки. – Ростов н/Д: Феникс, 2006. – 409 с. 2. Хейфец М.Л. Проектирование процессов комбинированной обработки. – М.: Машиностроение, 2005. – 272 с. 3. Подураев В.Н. Технология физико-химических методов обработки. – М.: Машиностроение, 1985.

– 264 с. 4. Михайлов А.Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения. – Донецк: ДонНТУ, 2008. – 346 с.

К ВОПРОСУ О КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ¶ Тока А., Стынгач И., Рушика И. (Технический Университет Молдовы, г. Кишинев, Республика Молдова) ¶ 1. ВВЕДЕНИЕ. Размерный анализ традиционно выполняется в наиболее простом варианте – методом максимума-минимума, давая, при этом, заниженные оценки получаемой точности обработки. Непрерывный рост точности на современном этапе развития машиностроения, повсеместный переход на серийное производство, массивное использование станков с ЧПУ влечет за собой необходимость пересмотра подходов к методике размерного анализа. Размерный анализ по методу максимума-минимума основывается на положении о независимости формирования размеров в технологических процессах. В итоге, допуск замыкающего звена размерной цепи вбирает в увеличивающий, M себя допуска размеров – составляющих звеньуменьшающий, L замыкающий,  ев     M   L (рис.1). На самом деле в технологическом процессе да и в последовательных технологических процессах проявля ется эффект компенсации погрешностей и рост точности обработки [1,2]. Это связано с тем, Рис. 1. Накопление погрешностей по что размеры – составляющие звенья размерной методу максимума-минимума цепи формируются во взаимозависимости и метод максимума и минимума, в строгом смысле, становится некорректным.

L

M

66

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

2. ПРИРОДА КОПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ Взаимозависимость формирования размеров объясняется тем, что в определенных ситуациях в структуре погрешностей увеличивающий, присутствуют погрешности-векторы одноуменьшающий, L го направления (обусловленные например  износом инструмента, поддатливостью элеметнов технологической системы, базиM L рованием и пр.). Для замыкающего размера цепи эффект заключается в том, что сохарактер погрешностей ставляющие звенья одновременно проявляются и как увеличивающие и как уменькомпенсируемые пргрешности шающие (рис. 2). Другими словами, увеличивающий размер в соответствии с размерной схемой одними компонентами некомпенсируемые пргрешности суммарной погрешности является таки увеличивающим, а другими компонентами - уменьшающим. Аналогичное происходит суммарная погрешность и с уменьшающим размером. Размерная цепь перестает быть однородной, посколь ку не состоит из чисто увеличивающих и Рис. 2. Накопление погрешностей с ком- чисто уменьшающих размеров. пенсируемыми копонентами погрешностей Наличие в размерных цепях элементов противоречивого действия приводит к изменению порядка суммирования погрешностей замыкающего звена, часть погрешностей взаимно компенсируются. Эффекты одновременного увеличения и уменьшения неодинаковы для размеров – составляющих звеньев M и L , поскольку имеют различные допуска и формируются в разных условиях. Как следствие, компенсация имеет место лишь в меру общего для составляющих c c c c c размеров количественного эффекта   Min{  M , L } . Здесь,  M и  L - компенсируемые части полей допусков размеров соответственно M и L . c Эффект компенсации находит отражение в известном выражении для допуска   замыкающего звена [2]:

 c   M   L  2   c

(1) Компенсация погрешностей не только уменьшает допуск замыкающего звена, но M

M

L



M

L 2  c

L



M   c

L   c

2  c

c

c

Рис. 3. Изменение положения поля допуска замыкающего звена

67

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

и смещает поле допуска по сравнению положением поля определяемым методом максимума и минимума в направлении вектора компенсации на величину

ES M M EI M L LES EI

 ES M  ES L

L

EI M  ES L  2  c

  c

(рис. 3). Компенсационные эффекты приводят к нарушению равновесия размерной цепи в традиционном варианте (рис. 4). Строгое решение размерной цепи можно получить с использованием эквивалентной размерной цепи, в которой пересчитаны допуска и предельные отклонения составляющих звеньев (рис.5). Предельные отклонения составляющих звеньев эквивалентной цепи расчитывают из выражений: ES Mc  ES M     c ,

ES M M EI M

M  ES L  2  ES EI  ES M

L LES EI

c

L

L

Рис. 4. Неуравновешенные размерные цепи

M ES M

EI M  c

L  LES EI

c

M  ES L  ES EI  ES

L

M

L

EI Mc  EI M  (   1 )   c ,

ES M  c M EI M

ES Lc

 ES L     , EI Lc  EI L  (   1 )   c ,

ES L

M  ES L  ES EI  ES M

(2)

c

L

EI L  c

L

где ES , EI - предельные отклонения;   0 и   1 для случаев, соответст-

Рис. 5. Эквивалентные размерные цепи

венно, однонаправленности и разнонаправM ESM c ленности компенсационного вектора и увеEI M     1 личивающего звена, . c L  LES M  ES L EI L Если предельные отклонения заданы  ES EI M  ES L для замыкающего звена  , эффекты компенсации погрешностей проявляются в ES M  c возможности назначения больших допусM EI M ков для размеров составляющих звеньев на c LES L c величину  . Неуравновешенные размерES M  ES L EI L   EI M  ES L ные цепи показаны на рис. 6, а решение для предельных отклонений имеет вид: Рис. 6. Неуравновешенные размерные ES Mc  ES M     c , цепи, решение для составляющих звеньев EI Mc  EI M  (   1 )   c ,

(3) ES Lc

c

 ES L     , EI Lc  EI L  (   1 )   c ,

Можно отметить, что выражения (2) и (3) справедливы для случаев когда направc ление вектора компенсации 2   известно (связанное с износом, с поддатливостью и т.

68

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

п.). Компенсационный вектор связанный например с базированием, с наладкой, в общем случае, может иметь противоположное направление или же случайное направление. В общем случае компенсационные эффекты могут проявляться посредством трех c c c векторов, двух разнонаправленных и одного случайного направления:  ,  и  ,

c c c каждый из них определяемых по выражению   Min{ M ,  L } . Тогда:

 c   M   L  2  (  c   c   c ) (4) Положение поля допуска определяется результирующим вектором

  c  c ,

c

при отсутствии влияния вектора  . Эквивалентная размерная цепь для этого более сложного случая показана на рис. 7. Компенсация погрешностей позвоc c ляет: M ES M c c / 2 EI M   / 2  обеспечивать более высокую точc c ность замыкающего звена по сравнению с c c LES L c c / 2  ES M  ES L  2c c точностью оцененной по методу максиEI L   / 2 EI M  ES L  2  мума и минимума;  формировать размеры – составES M  c  c / 2 ляющие звенья с меньшей точностью чем M EI M  c  c / 2 та которая определяется по методу максимума и минимума.

ES L  c  c / 2 ES M  ES L  2 c  c L Первая возможность заключается в  EI L  c  c / 2 EI M  ES L  2 c  c уменьшении допусков составляющих размеров M и L в эквивалентной разРис. 7. Эквивалентная размерная цепь с эффектами компенсации- векторами разного направления

c c c мерной цепи на величину      , в соответствии с выражениями:

c ES M  ES M     c  (   1 )   c   c / 2

;

c EI M  EI M  (   1 )   c     c   c / 2

;

ES Lc  ES L  (   1 )   c     c   c / 2 EI Lc  EI L     c  (   1 )   c   c / 2

co  0   (     1 )  (  c   c )

;

(5)

;

,

co –

c  где ES , EI , 0  и ES , EI , предельные отклонения размеров – составляющих звеньев M и L, координаты середин полей допусков замыкающих звеньев соответственно в традиционных и эквивалентных размерных цепях,  - параметр (   0 для c

случая, когда вектор

 c совпадает с направлением формирования увеличивающего

69

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

размера цепи и   1 для случая несовпадения этих направлений). Второе направление отражается в выражениях: c ES M  ES M     c  (   1 )   c   c / 2

;

c EI M  EI M  (   1 )   c     c   c / 2

ES Lc  ES L  (   1 )   c     c   c / 2

;

EI Lc  EI L     c  (   1 )   c   c / 2

;

;

(6)

coM  0 M  (  c  ( 1  2   )   c  ( 1  2   )) / 2

coL



c

 0 L  (   ( 1  2   )    ( 1  2   )) / 2 c oM





;

c

,

c oL



где 0 M , 0 L и , - координаты середин полей допусков размеров M и L соответственно в традиционных и эквивалентных размерных цепях. В этом случае допуска размеров M и L в эквивалентных размерных цепях увеличиваются на

c c c ется

, а координата середины поля допуска замыкающего звена не изменя-

c0    0  .

Список литературы: 1. Фридлендер И. Г., Иванов В. А., Барсуков М. В., Слуцкер В. А. Размерный анализ технологических процессов обработки. – Л.: Машиностроение, 1987. – 141 с., 2. Матвеев В. В., Тверской М. М., Бойков Ф. И. Размерный анализ технологических процессов. – М.: Машиностроение, 1982. – 264 с.

70

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КОНСТРУКЦИЙ С ПОВЫШЕННОЙ ВИБРОАКТИВНОСТЬЮ Андрикевич В.В., Авлиекулов Ж.С., Овчинников Е.В., Кравченко В.И., Авдейчик С.В. (ГрГУ им. Я.Купалы, УМЦ «Промагромаш» ОАО «Белкард», г. Гродно, Республика Беларусь, ТАДИ, г. Ташкент, Узбекистан) Введение. Анализ литературных источников свидетельствует о том, что эксплуатационные характеристики автотракторных агрегатов и сельскохозяйственной техники определяются не только конструктивными особенностями [1-5], но и применяемыми материалами для изготовления отдельных деталей тормозных камер, амортизаторов, защитных кожухов т др. функциональных устройств [5-9]. Одним из важнейших узлов, определяющих эксплуатационные характеристики амортизирующих устройств, являются элементы конструкций, воспринимающие ударные механические воздействия в процессе контактирования колес транспортных средств и сельскохозяйственного оборудования с неровностями дорожного покрытия и предотвращающие их прямую передачу на подвеску. Демпфирующие элементы конструкций, применяемых в автотракторной и сельскохозяйственной технике, амортизаторов представляют собой или рабочие камеры с амортизирующей средой (жидкостью и газом), или специальные изделия из материалов с определенным сочетанием деформационно-прочностных характеристик. Демпфирующие материалы должны обеспечивать изделию заданные геометрические размеры и обладать способностью рассеивать механическую энергию в упругие колебания [4, 7, 9]. Существуют различные подходы к выбору демпфирующих материалов для изготовления деталей амортизирующих конструкций, основанные на управлении упругими характеристиками путем изменения степени структурирования (сшивки) эластомеров, синтеза новых полимерных материалов – термоэластопластов с заданным соотношением термопластичной и эластомерной составляющих, обработки полимерных композитов различными видами ионизирующих излучений. В ряде случаев материалы на основе вулканизированных каучуков (резин), термоэластопластов и радиационно сшитых термопластов обеспечивают эффективную эксплуатацию амортизирующих устройств. Однако совершенствование конструкций и непрерывный поиск оптимального сочетания «функциональность-стоимость» требует разработки новых решений на базе достижений полимерного материаловедения. Одним из наиболее эффективных материалов с регулируемыми деформационнопрочностными характеристиками являются термоэластопласты типа термопластичных полиуретанов (ТПУ), микроячеистых полиэфируретанов (ПЭУ), сополимеров этилена и винилацетата (СЭВА) [10-11]. Однако метод синтеза новых марок ТПУ и ПЭУ с изменяемым соотношением жесткой и эластичной фазы не всегда возможен в заводских условиях и сопряжен со значительными трудностями, обусловленными необходимостью организовать специфическое производство композиционных материалов, требующие высокой квалификации обслуживающего персонала и применения дорогостоящих методов охраны окружающей среды. Более экономически выгодными являются методы модифицирования полимерных промышленно выпускаемых матриц функциональными добавками. Полиуретановые и полиэфируретановые термоэластопласты обладают способностью образовывать т.н. «механически совместимые смеси» с различными высокомолекулярными компонентами – термоэластопластами класса полиолефинов, полиамидов, стирольных пластиков и др. [12-22]. Вместе с тем, композиты, применяемые для изготовления демпфирующих изделий, должны обладать максимально возможной

71

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

совместимостью компонентов, препятствующей образованию дефектов на границе раздела фаз под действием многократных знакопеременных нагрузок. Методика исследований. Для проведения исследований были использованы различные технологические приемы для повышения термодинамической совместимости ингредиентов демпфирующих композитов. Предварительные эксперименты по выбору компонентов позволили определить в качестве базовых связующих термопластичный полиуретан типа Витур (или его аналоги Desmoran, Elastogran) и регенерированный полиэфируретан ТПУ (ТУ 17-21-04-82). Модифицирующими компонентами служили дисперсные фрагменты структурированного эластомера, являющиеся отходами производства резинотехнических изделий из резин на основе бутадиен-нитрильных каучуков марок СКН-26М, СКН-26, СКН-40 или хлоропренового каучука наирит Кр-5, а также порошки термопластичных материалов АБС, УПС, СФД, ПВХ. Дисперсность порошков не превышала 400 мкм при максимальном содержании фракции с размерами 100-150 мкм. Компоненты перемешивали в шаровых мельницах и перерабатывали на термопластавтоматах со шнековым пластификатором. Характеристики полученных термомеханически совмещенных композитов оценивали по стандартным методам, применяемым в полимерном материаловедении. Результаты и обсуждение. Легирование термоэластопластов термопластами позволяет существенно изменять их деформационно-прочностные характеристики (табл. 1). При этом модифицирующий эффект проявляется при использовании различных термопластов, что свидетельствует об общности физико-химических процессов легирования, протекающих в зоне материального цилиндра при термомеханическом совмещении расплавов базового связующего и модификатора. В работах Песецкого С.С., Мануленко А.Ф., Рыскулова А.А., Полосмак Н.Д. и др. показано, что легирующий компонент в зависимости от содержания или вступает в механохимическое взаимодействие с матрицей с образованием сополимерной фазы [15-22], или формирует легирующие агрегаты с размером от 0,1 до 10 мкм, которые способствуют изменению прочности, твердости, износостойкости и других служебных характеристик [17, 22]. , % Легирующее действие тер800 мопластичной добавки реализуется и в других видах термоэластопластов, например, в ПЭУ и СЭВА 600 (табл. 2). Термопластичные модифи400 каторы оказывают комплексное влияние на свойства термоэласто200 пласта вследствие изменения 1 2 структуры на молекулярном, меж3 молекулярном и межфазовом 10 20 30 40 50 C, мас.% уровнях. Важнейшими показателяРис. 1. Зависимость показателя относи- ми для демпфирующих материалов тельного удлинения от содержания в термоэла- являются стойкость к знакоперестопласте ТПУ (1), ПЭУ (2, 3) сополимера менным нагрузкам, относительное удлинение и остаточная деформаСФД (1, 2) и ПВХ (3) ция. Относительное удлинение композиционного материала в известной мере является характеристикой совместимости компонентов и упрочняющего действия полимерного термопластичного модификатора на матрицу термоэластопласта. Исследования показывают, что матрицы ПЭУ и отн

72

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ТПУ при введении термопластов (СФД, ПВХ) существенно уменьшают эластичность, что свидетельствует о комплексном влиянии модификатора (рис. 1). Таблица 1. Физико-механические характеристики полиуретанового термоэластопласта Десмопан, модифицированного термопластами Характеристики 1. Плотность, кг/м3 2. Твердость по Шору А, усл.ед 3. Разрушающее напряжение при растяжении, МПа 4. Относительное удлинение, % 5. Истираемость, м3/ТДж

Показатели для композиций с различными модификаторами ТПУ+5% ТПУ+10% ТПУ+10% ТПУ+10% ТПУ СФД УПС АБС ПВХ 1300 1250 1280 1310 1295 80

85

92

88

86

42

90

48

47

51

700

580

250

400

280

22

18,3

35,6

25

19,1

Содержание модифицирующей добавки указано в масс. % Таблица 2 .Физико-механические характеристики композиционных материалов «ПЭУ-термопласт» Характеристики 1. Плотность, кг/м3 2. Твердость по Шору, усл.ед 3. Разрушающее напряжение при растяжении, МПа 4. Относительное удлинение, % 5. Истираемость, м3/ТДж

Показатели для композиций с различными модификаторами ПЭУ+10% ПЭУ+10% ПЭУ+10% ПЭУ+10% ПЭУ ПВХ АБС УПС СФД 1200 1200 1150 1190 1270 70

86

88

92

85

15,6

15,8

15,6

10,4

14,3

650

250

380

200

530

23,1

19,8

29,3

35,6

20,1

Содержание легирующего термопласта в масс. %. Вероятной причиной уменьшения показателя относительного удлинения при модифицировании является образование механических препятствий развитию процессов высокоэластического деформирования локализованными агрегатами термопласта, а также образование сополимерных продуктов по типу «механохимических полимеров», образование которых отмечено в ряде работ [18-22]. Необходимо отметить, что в области малых концентраций модификатора (до 10 мас.%) относительное удлинение композита незначительно, что, вероятно, свидетельствует в пользу образования продуктов механохимического синтеза, мало изменяющих подвижность макромолекул базового термоэластопласта. Наличие в эластичной матрице термопластичных агрегатов изменяет устойчивость системы к воздействию знакопеременных деформаций. Исходные термоэластопласты (ТПУ, ПЭУ) обладают весьма высоким показателем стойкости к многократному деформированию. При введении в них термопластичного компонента число циклов до разрушения уменьшается, что, вероятно, обусловлено увеличением энер-

73

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 3

гии деформирования композита и повышением температуры в зоне деформирования (рис. 2).

80 При применении в качестве 60 модификатора дисперсных частиц структурированного эластомера (СЭ) 40 падение показателя устойчивости к 20 воздействию знакопеременных на3 грузок проявляется в меньшей мере.

2 Это обусловлено близким строением 2 1 макромолекул полиуретана и каучу1 C, мас.% ков, используемых для получения 20 40 60 80 резин общего назначения. Однако при содержании модификатора более * отмечено разрушение образца 30-40% возникают существенные Рис. 2. Зависимость стойкости к мно- технологические трудности по согократным деформациям ТПУ (1) и ПЭУ (2, вмещению компонентов без приме3) от содержания СФД (1, 2) и СЭ (3) нения специальных смесителей. Это приводит к получению композитов с высокой дефектностью, обладающих низкими служебными характеристиками. Заключение. Приведенные исследования позволили установить важный для практического использования факт активного действия малых добавок термопластов различного состава на термоэластопластичные матрицы. Учитывая, что механизм действия легирующих добавок согласно литературным данным и нашим исследованиям зависит главным образом от соотношения «термоэластопласт-термопласт», наиболее эффективны в практическом применении композиты с компонентами, близкими по свойствам, прежде всего, по подвижности макромолекул. С этих позиций необходимо в качестве модифицирующих добавок использовать термопласты с высокой пластичностью и реологическими характеристиками, близкими к характеристикам термоэластопластичной матрицы. n, 10

Список литературы: 1. Кравченко, В.И. Структура и технология композиционных материалов для конструкций карданных передач серии «Белкард-2000». / В.И. Кравченко. - Дис. …… канд.тех.наук.-Гродно, 2001. – 150 с. 2. Рыжих Л.А. Особенности рабочих процессов пневматического тормозного привода автомобилей при низких температурах. Автореф. ... дисс. канд. техн. наук. 05.22.02. - автомобили и тракторы. – Харьков. – 1987. – 27 с. 3. Пильгуй В.Б. Совершенствование мембранных исполнительных механизмов пневматического тормозного привода автомобилей. Автореф. ... дисс. канд. техн. наук 05.22.02. - автомобили и тракторы. – Харьков. – 1996. – 24 с. 4. Проектирование универсальных шарниров и ведущих валов /Пер с англ. Ю.В. Попова. – Л.: Машиностроение. Ленингр. Отделение. – 1984. – 463 с. 5. Стойкость к растрескиваниют под нагрузкой малонаполненных полиолефинов, модифицированных высокодисперсными порошками. / А.И. Мамончик [и др.]. // Материалы. Технологии. Инструменты., Т. 6 (2001), № 2. – С. 44-46. 6. Применение в автомобилестроении полимерных композитов с волокнистыми наполнителями / В.В. Барсуков [и др]. // Материалы. Технологии. Инструменты, Т. 7 (2002), № 2. – С. 40-44. 7. Мамончик, А.И. Полимерные композиционные материалы в автомобильных агрегатах: опыт разработки и применения / А.И. Мамончик, А.А. Скаскевич. // Вузовская наука, промышленность, международное

74

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

сотрудничество: Материалы 4 междунар. науч.-практ. конф. В 2 ч., ч. 2. – Мн.: БГУ, 2002. – С. 38-45. 8. Kravchenko, V.I. Composition carbon-fiber reinforced plastics for the friction units of the automobile units / V.I. Kravchenko, G.A. Kostyukovich, A.I. Mamonchik // Hydrogen materials science and chemistry of carbon nanomaterials. - IHSE: Kiev. – 2003. – pp. 872-875. 9. Карданные передачи: конструкции, материалы, применение. / Г.А. Костюкович, В.И. Кравченко, В.А. Струк; под ред. В.А. Струка. – Минск: Тэхналогія, 2006.

– 409 с. 10. Тарасов С.Г., Годовский Ю.К. Структура и механические свойства будадиенстирольных термоэластопластов. Пластические массы. – 1981. – № 5. – С. 34–35. 11. Райт П., Камминг А. Полиуретановые эластомеры //Под ред. Н.П. Апухтиной. – Л.: Химия.э – 1973. – 304 с. 12. Мануленко А.Ф. Создание абразивостойких триботехнических материалов на основе бинарных смесей «термопласт-термоэластопласт». Дис. ... канд. техн. наук 05.02.01. – материаловедение (машиностроение). – Гомель. – 1987. – 154 с. 13. Морозов Ю.Л. Микроячеистые полиуретаны: обзор //Каучук и резина – 1985.

– № 2. – С. 42–47. 14. C.G. Seefried, I.V. Koleske, F.E. Critchfield Thermoplastic Urethane Elastomers V. Compatible and Incompatible Blends with Various Polymers. Polymer Engineering and Science. – 1976. – vol. 16. – N 11. – pp. 771–776. 15. Гольдаде, В.А. Ингибиторы изнашивания металлополимерных систем. / В.А. Гольдаде, В.А. Струк, С.С. Песецкий. – М.: Химия, 1993. – 240 с. 16. Мэнсон, Дж. Полимерные смеси и композиты / Дж. Мэнсон, Л. Сперлинг. Под ред. Ю.К. Годовского – М.: Химия, 1979. – 440 с. 17. Струк В.А. Трибохимическая концепция создания антифрикционных материалов на основе многотоннажно выпускаемых полимерных материалов. Дис. ... докт. техн. наук 05.02.01. материаловедение (машиностроение). – Минск. – 1988. – 323 с. 18. Рыскулов А.А. Разработка машиностроительных материалов на основе металлополимеров. Дисс. ...канд. техн. наук 05.02.01. материаловедение в машиностроении (промышленность). – Гомель. – 1990. – 201с. 19. Кербер М.А. Модифицирование полимерных материалов в ходе их переработки. Пластические массы. – 1971. – № 5. – С. 59–66. 20. Казале Л., Портер Р. Реакция полимеров под действием напряжений /Под ред. А.Я. Малкина. – Л.: Химия. – 1983. – 440 с. 21. Ivan G. Reactii mecanochimice la prelucrarea elastomerilor. – Industria usoara. – 1971. – v. 18. – № 5. – pp. 338–350. 22. Струк В.А., Война А.А., Структура композиционных материалов на основе механических смесей термопластов. Пластические массы. – 1985. – № 12. – С. 37–38.

КОМПЬЮТЕРНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ Бутенко В.И., Кочергина О.И. (кафедра механики ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) Для определения различных динамических показателей на разных режимах работы механической системы обычно требуется поставить большое число физических экспериментов, а также оснастить испытательную площадку сложным и обычно дорогим измерительным и регистрирующим оборудованием. Объем работ по подготовке механизма к испытаниям, установка, настройка измерительного оборудования, обработка, изучение полученных результатов – все это значительно, а стоимость таких работ высока. Вместе с тем, при проведении физических экспериментов не всегда возможно измерение всех интересующих динамических показателей, приходится преодолевать проблемы, связанные с погрешностями измерительных приборов, повторяемостью и воспроизводимостью результатов. Кроме того, испытания машин на предельных или не-

75

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

штатных режимах, как правило, либо очень дороги в силу дороговизны образцов или оборудования, которые разрушаются, либо опасны, как эксперимент, показанный на рис. 1. Поэтому в настоящее время получили достаточно широкое развитие программные комплексы моделирования кинематических и динамических процессов механических систем различного уровня сложности на основе алгоритмов автоматизированного синтеза уравнений движения исследуемых систем и методов численного решения уравнений. Такими методами и инструментами являются алгоритмы компьютерноориентированного автоматического синтеза уравнений движения механических систем, используемые в исследовательской практике. Известно, что универсальным подходом для исследования движения любого механизма являются уравнения Лагранжа I и II рода, представленные следующим образом:  g g l x1  sin   sin  cos     cos    , 2 2  2 2 2  g l y1   cos   cos 2   sin    ,  2 2 2  g g l (1) x 2  sin   sin  cos     cos    , 2 2  2 2 2  g l y 2   cos   cos 2   sin    , 2  2 2   t   , d  T  T    Qi , dt  qi  qi

(2)

где  ,  ,  ,  и  – произвольные постоянные, T(qi,t) — кинетическая энергия системы, Qi – обобщенная сила. Однако использование уравнений (1) и (2) в исследовательской практике требует больших затрат времени, создания экспериментального образца и проведения весьма сложной математической обработки полученных результатов. Компьютерно-ориенти-

а б Рис.1. Натурный эксперимент с автопоездом (а) и его компьютерное моделирование (б) рованное моделирование представляют собой реальную замену физическим натурным экспериментам, поскольку не требует изготовления экспериментального образца. При этом с помощью компьютерного моделирования может быть поставлено любое количество численных экспериментов и получены любые интересующие исследователя показатели. Одновременно компьютерные модели, ориентированные на тщательное и всестороннее изучение того или иного явления в машине и механизме, могут быть исполь-

76

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

зованы для выявления и устранения возможных неполадок и проблем еще до производства опытного образца или серии, что особенно важно для единичного или мелкосерийного производств. При компьютерно-ориентированном исследовании движения механизмов производится комплексный анализ кинематики, динамики, прочности и долговечности всех элементов механической системы в последовательности, представленной на рис. 2.

Рис. 2. Этапы проведения исследования кинематических и динамических процессов механических систем Следует отметить, что проведение исследований любой механической системы путём ее моделирования заключается в пересчёте исследуемых параметров системы при допустимом изменении исходных данных. При этом очень важным является определение типа планируемого эксперимента, факторов и параметров отклика эксперимента и контроль корректности его проведения. Как показывает практика, результаты исследования, полученные при компьютерно-ориентированном моделировании движения машин и механизмов обусловлены правильностью постановки задач исследования и выбором уравнений движения. В то же время при автоматическом синтезе уравнений движения механической системы необходимо определить метод синтеза, задать его параметры и контролировать корректность синтеза уравнений. По окончании численного моделирования в качестве результатов для дальнейшего анализа могут быть использованы следующие величины: - кинематические характеристики (траектории, координаты, скорости, ускорения любой точки любого тела, углы поворотов, угловые скорости и угловые ускорения тел, характеристики относительного движения тел); - силы реакций в шарнирах; - активные силы (например, силы в пружине, гасителе колебаний, листовой рессоре, гидроцилиндре); -напряжения и деформации для упругих тел. В качестве программ для создания механических моделей при компьютерноориентированном исследовании движения машин или механизмов могут быть использованы: CATIA, T-Flex, Solid Works, Autodesk Inventor, Pro/E, Matlab/Simulink (UM control), ПК УМ («Универсальный Механизм»), КОМПАС 3D и многие другие.

77

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Однако в практике предприятий машиностроения наибольшее распространение получил программный комплекс «Универсальный механизм», разработанный в научноисследовательской лаборатории Брянского государственного технического университета и используемый в железнодорожной отрасли. Достоинством этого программного комплекса то, что с его помощью выводятся точно те же уравнения движения, что и при ручном выводе. При этом в рамках одной и той же расчётной схемы отличия аналитического решения от численного решения в программном комплексе «Универсальный механизм» будут только в погрешностях численного метода решения уравнения. Эти погрешности ничтожно малы относительно точности выполненного решения, предъявляемой к инженерным задачам. Поэтому на практике можно считать, что численное решение уравнений на 100% совпадает с аналитическим значением. На рис.3 приведены динамические модели грохота (а) и дробилки (б), импортированные из КОМПАС 3D и подвергнутые компьютерно-ориентированному исследованию. Анализ полученных результатов исследований показал, что данные проведенного компьютерного исследования движения моделей грохота и дробилки, выполнен-

а б Рис. 3 Динамические модели грохота (а) и дробилки (б), импортированные из КОМПАС-3D ные в программном комплексе «Универсальный механизм», количественно и качественно практически полностью совпадают с результатами стендовых испытаний и определяют оптимальные режимы эксплуатации изделий. Проведение исследований сложной механической системы (например, летательного аппарата) путём её компьютерно-ориентированного моделирования позволяет не только сократить время испытаний, но и избежать при этом ошибок, неизбежных при самостоятельном выводе уравнений движения. Однако при автоматическом синтезе уравнений движения любой механической системы необходимо определить метод синтеза, задать его параметры и контролировать корректность синтеза уравнений в процессе компьютерно-ориентированного моделирования. Поэтому задачи составления оптимальных математических моделей различных физических явлений и механических систем в целом, а также составления оптимальных алгоритмов решения различных систем уравнений является первостепенными при проведении компьютерно-ориентированного моделирования движения машин и механизмов. Точность результатов исследований, проведённых по представленному алгоритму (рис.2) с применением вычислительной техники со специализированным программным

78

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

обеспечением достаточно высокая; относительная ошибка не превышает 5-10%, что не превышает допустимую инженерную ошибку. При исследовании кинематики и динамики сложных механических систем с большим числом степеней подвижности компьютерно-ориентированное моделирование позволяет сократить время и избежать ошибок в установлении параметров движения, неизбежных при проведении соответствующих испытаний на стендах. Важнейшей особенностью представленного компьютерно-ориентированного моделирования движения механических систем является возможность уже на стадии испытания опытных образцов изделий вносить изменения не только в конструкцию машины или механизма, но и корректировать технологический процесс изготовления отдельных деталей или узлов, используя для этого, например, CAL/CAM/CAE системы для расчёта управляющих программ для станков с ЧПУ [4]. Как известно, такие специализированные программные комплексы могут использоваться как автономно, так и включаться в состав универсальных систем, которые предназначены для комплексной автоматизации процессов проектирования, анализа, производства и испытания продукции машиностроения. Таким образом, в сравнении с натурными экспериментами компьютерно- ориентированное моделирование очень полезный инструмент, который обеспечивает всесторонний, рентабельный и безопасный анализ динамики любых механических систем. Это дает возможность с минимальными затратами времени и финансов подвергать тщательному исследованию как действующие, так создаваемые машины, в том числе, проверять совершенно новые идеи и решения. Список литературы: 1. Сотников А.Л. Компьютерно-ориентированный автоматический синтез уравнений движения механических систем // Металлургические процессы и оборудование -2007, №23(9).- С. 34-52.2.Программный комплекс «Универсальный механизм». Руководство пользователя.- Брянск: Лаборатория вычислительной механики БГТУ, 2006.- 607 с. 3. Ефимов Г. Б., Погорелов Д.Ю. Решение некоторых модельных задач с использованием программного комплекса «Универсальный механизм».- М.:ИМП,1993.- 24с. 4. Бутенко В.И. Технологическое обеспечение конкурентоспособности изделий авиастроения (авторский курс). – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. – 295 с.

КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ПЛАСТИНАХ С ОТВЕРСТИЕМ Захарченко А.Д., Бокий И.А. (кафедра Механики, ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования показывают, что в области резких изменений в форме упругого тела (углы, отверстия, выточки и др.), а также в зоне контакта деталей возникают повышенные напряжения с ограниченной зоной распространения, так называемые местные напряжения. Оценивать эти местные напряжения рекомендуется теоретическим коэффициентом концентрации, величина которого определена для многих типовых конструктивных элементов (например, для полосы с отверстием). Значения теоретического коэффициента концентрации напряже-

79

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ний практически не зависит от уровня номинальных напряжений и физикомеханических свойств материала, а определяется геометрией рассматриваемого элемента, способом нагружения и относительными размерами зон концентрации. В теории упругости дается решение для растянутой пластинки, ослабленной отверстием, в окрестности которого имеет двухосное напряженное состояние. Так как теоретический коэффициент не всегда определяет фактическое снижение прочности (необходимо ещё учитывать свойства материала, термообработку, технологические факторы и др.), то вводится понятие эффективного коэффициента концентрации напряжений. Он определяется как отношение предела выносливости (или предела прочности) гладкого полированного образца к пределу выносливости (пределу прочности) образца с концентратором напряжений. В конструкциях самолетов и вертолетов из алюминиевых и титановых сплавов, коррозионно-стойких сплавов и композитных материалов применяют заклепочные и болтовые соединения. Статистические данные показывают, что до 80% разрушений происходит в зоне соединений. Отверстия под заклепки и болты ослабляют рабочее сечение, они становятся концентраторами напряжений, снижают статическую прочность и сопротивление усталости конструкции. Отмечается, что отверстие представляет собой концентратор напряжений с коэффициентом концентрации около трех [1]. Напряжение растяжения в сечении листа, ослабленного отверстием под заклепки должно удовлетворять условию ( рис.1)

где: нагрузка, приходящаяся на одну заклепку; , учитывающий концентрацию напряжений вокруг отверстий, для листов из сплавов Д16АТ, В95АТ, Д19 и МА1 рекомендуется принимать = 0,94. При длительных повторно-переменных нагрузках, что особенно характерно для авиационных конструкций, разрушающие напряжения снижаются до половины и более от статических и проявление концентрации напряжений (конструктивные, технологические факторы) еще более заметно Расчету соединений с натягом, элементы которых выполнены из различных материалов, посвящено значительное число работ, однако в конкретных случаях не все рекомендации по учету концентрации напряжений могут быть объективно достаточными. Теоретические исследования деформированного и напряженного состояния пластин с отверстием, заполненных стержнем или болтом показали, что ресурсные характеристики соединения в большой степени зависят от осевого и радиального натягов и параметров соединения, определяющих концентрацию напряжений. Осевой натяг (или затяжка) соединений существенно влияет на усталостную долговечность. При увеличении затяжки происходит увеличение усталостной долговечности вследствие создания больших сил трения по контактным поверхностям и уменьшения концентрации напряжений около отверстий под болты. Однако, при чрезмерном увеличении затяжки может произойти срез резьбы и разрушение соединения по болту [1]. Выполнение соединений с большим радиальным натягом приводит к созданию в зоне отверстий больших остаточных напряжений сжатия. Возникновение знакопеременных напряжений в расчетном сечении возле отверстия приводит к усталостному разрушению пластины [1]. В работе [3] обзорного характера рассматриваются теоретические и экспериментальные исследования работоспособности соединений с натягом с учетом концентра-

80

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ции напряжений. В частности, отмечается, что недостаточно теоретических данных о концентрации напряжений в зависимости от геометрических параметров соединений, что затрудняет их использование в практических расчетах. Теоретические решения для определения концентрации напряжений из-за сложности получены только для некоторых задач. С применением ЭВМ этот вопрос решается успешно для многих очагов концентрации напряжений и с достаточной для практических целей точностью. Во многих случаях для определения для характера распределения напряжений возле источника концентрации и коэффициента концентрации применяются различные экспериментальные методы. Использование ЭВМ позволяет рассчитать несколько вариантов посадок с учетом вероятностного распределения размеров деталей по полю допуска, проанализировать влияние шероховатости контактирующих поверхностей, коэффициентов жесткости деталей в зависимости от их конструкции и размеров [2]. В работе [3] рассматриваются теоретические оценки напряженного состояния материала пластины в зоне постановки болтов или заклепок c определенным натягом. Теоретические зависимости получены при рассмотрении пластины, подверженной однородному растяжению распределенной нагрузкой в направлении длины пластины и напряжений, вызванных посадкой заклепки (или болта) с натягом. Полученная зависимость имеет вид

В этой формуле: - компонента главного вектора сил, приложенных к центру болта; - постоянная для обобщенного плоского напряженного состояния; - постоянная, учитывающая модуль упругости и коэффициент Пуассона материала;. На рис.1 приведен характер распределения радиальных напряжений вокруг отверстия при натяге =0,15 мм и по мере удаления от отверстия. На расстоянии r =3 при величине натяга 0,011 мм они имеют значение =100 МПа, а при 0,034 мм – 250 МПа. От величины натяга радиальные сжимающие напряжения изменяются линейно (рис.2). Если принять за номинальные напряжения Рис. 1. Распределение радиальных напряжений водля поддерживающих круг отверстия при натяге =0,15 мм швов и материала Д16АТ равными 130 МПа, то анализ зависимостей показывает, что коэффициент концентрации лежит в пределах 2…4.

81

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рис.2. Зависимость радиальных напряжений от величины натяга и отношения Список литературы: 1. Технология выполнения высокоресурсных заклепочных и болтовых соединений в конструкциях самолетов/ А.И. Ярковец, О.С.Сироткин, В.А.Фирсов, И.М.Киселев. – М.: Машиностроение, 1987. – 192 с. 2. Решетов Д.Н. Детали машин: Учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов. – М.: машиностроение, 1989. – 496 с. 3. Семенов-Ежов И.Е. Проблема концентрации напряжений в соединениях с натягом./ Вестник машиностроения. 2001. № 4. С.37 – 40. 4. Захарченко А. Д. Исследование напряженного состояния заклепочных (болтовых) соединений. Материалы четвертого международного научно-технического семинара « Практика и перспективы развития институционного партнерства», т.2. Донецк-Таганрог, 2003. – с.36 – 43.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ СО2-ЛАЗЕРА * С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ Ладоша Е.Н., Пугачев А.Д., Цымбалов Д.С. (ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, Россия) Авторами работ [1,2] прогнозировалась возможность создать CO2-лазер с накачкой излучением черного тела. Вследствие низкой эффективности радиационной накачки газовой рабочей среды в полосе поглощения 4.3 мкм. КПД такого лазера не превышает 0.1%. Покрытие источника накачки селективно-излучающими материалами позволяет повысить КПД лазера в четыре раза [3]. Повысить КПД таких лазеров можно оптимизацией параметров рабочей смеси. В данной работе предлагаются: 1) достаточно подробная информационная модель лазерной среды, 2) способ выделения минимальной (каркасной) модели для вычисления инверсной населенности. В качестве конструкции и лазерной среды выбраны изображенные на рис. 1. Поперечный размер камеры с рабочей средой x равен 1 см, температура металлической пластины – источника накачки 1000 К. Генерация осуществляется на переходе CO2(0001)  CO2(1000) (полоса 10.6 мкм), накачка – на переходе

*

Работа выполнена при поддержке Фонда ALCOA.

82

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

CO2(0000)  CO2(0001); коэффициент усиления пропорционален величине инверсии N = NCO2(0001) – NCO2(1000).

Рис. 1. Конструкция и схема лазерных уровней CO2-лазера с накачкой излучением черного тела: 1 – лазерная смесь; 2 – источник теплового излучения; 3 – часть рабочей камеры, прозрачная для ИК-квантов; 4 – охлаждаемая часть рабочей камеры; стрелками указано направление потока накачивающего излучения Константы скоростей всех элементарных процессов, показанных на рис. 1, приведены в [5]. Функция источника CO2(0001) определяется на основании закона сохранения энергии: составляется уравнение переноса излучения в селективно поглощающем газе применительно к геометрии установки (см. рис. 1). Компьютерное исследование радиационно-кинетической модели лазера с рассмотренной номенклатурой процессов [5] свидетельствует о структурной устойчивости общей постановки: физическим объяснением этого факта служит сходство кинетических подсистем, образованных в результате снятия вырождения – за счет слабой связности движения электронов и ядер в молекуле углекислоты. С целью упростить описание лазерной среды в работе [5] предложена эмпирическая упрощенная модель, в основе которой использовали следующие предположения: 1) кинетика накачки определяется населенностями только двух уровней – основного 0000 и верхнего лазерного 0000; 2) прочие внутренние состояния СО2 подвержены быстрому колебательному обмену и термализованы; 3) столкновительные переходы между состояниями 0000 и 0001 происходят как напрямую – в обратимой реакции второго порядка, так и через промежуточные состояния – в обратимой реакции пятого порядка; 4) радиационная накачка является необратимым процессом, а ее скорость IWP определяется эквивалентной шириной поглощения WP в 4.3 мкм полосе СО2 и спектральной интенсивностью источника I. В развитие аналитических результатов [5] авторами последовательно выведена теоретическая формула для инверсной населенности: практически в реалистичном приближении аналитически решена система уравнений поуровневой кинетики. Результат её решения совпадает с полученным в работе [5] полуэмпирическим:

83

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

250 IWP

N 

, (1) 1/3 IWP  170(c  cW )  1.25 10 25 e 350 / T c 4 c где c  PCO2 и PN2 + He – давление углекислого и уширяющего газа соответственно, Торр; сW ~ 1 Торр – давление лазерной среды, ниже которого доминирующую роль в расселении уровня CO2(0001) играют соударения возбужденных частиц со стенками камеры. На основании этой точной формулы можно определить оптимальные параметры рабочей смеси как решение классической оптимизационной задачи. Соответствующий результат хорошо согласуется с полученным в работе [5] методами стохастической оптимизации и выражается оптимальными значениями концентраций и температуры: [СО2]= 0.3 Торр,

[N2] = 0.02 Торр,

[Не] = 1.68 Торр ,

Т ≤ 300 К .

(2)

Инверсия в таких условиях составляет 8.1013 см-3: доля СО2 в состоянии 0001 близка к 1%, что на 3 порядка превышает равновесное значение. Таким образом, при помощи предложенной минимальной модели маломощного СО2-лазера с накачкой тепловым излучением аналитически определены оптимальные физико-химические параметры рабочего тела. Результат совпал с данными численной оптимизации на основе детальной модели с погрешностью порядка 20 %. Список литературы: 1. Бохан П.А. // Оптика и спектроскопия. 1969. Т. 26. № 5. С. 773-779. 2. Бохан П.А. // Оптика и спектроскопия. 1972. Т. 32. № 4. С. 826-827.

3. Колтун М.М. Селективные оптические поверхности преобразователей солнечной энергии. М., 1979. 4. Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Ест. науки. 1995. №. 4. 5. Ладоша Е.Н., Соболь Б.В., Яценко О.В. Исследование кинетикив рабочей среде маломощного СО2-лазера посредством компьютерного моделирования / В кн. Информационные технологии в интеграции науки, образования и производства. Ростов н/Д.: Изд-во ДГТУ, 2004.

ПОДХОД К ОБЕСПЕЧЕНИЮ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ В МУЛЬТИКОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМАХ Масюков И. И., Борзов Д.Б., Соколова Ю.В. (ЮЗГУ, Курск, Россия) Мультикомпьютер – сложная и большая вычислительная система, которая состоит из множества процессоров и процессорных связей. В случае выхода из строя процессора или процессорных связей необходимо быстрое возобновление работоспособности системы. Достигается это путем отключения неисправных процессоров и обхода неисправных процессорных связей. В современных системах данная проблема решается путем полного копирования мультикомпьютера резервным и при выходе из строя одного из компонента он заменяется из резерва. Рассмотрим решение данной задачи на примере. Допустим у нас есть мультикомпьютер, описание связей которого представлено на рисунке 1.

84

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

P11

P21

L11

P12

L21

P31

L12

P22

L31

P13

L22

P32

L13

P23

L32

P33

L23

L33

Рис. 1. Пример описания мультикомпьютера Буквами Pij (i=1… 3; j=1…3) обозначены основные процессоры, буквами Lij (i=1…3; j=1,2) резервные процессоры. Причем мы считаем, что у нас есть два подмножества P и L. Допустим, у нас отказал узел P21 . Тогда необходимо найти ближайший резервный узел и использовать его вместо неисправного узла. Поиск осуществляем по следующему алгоритму: L 1) Если отказал pij ( i  1, n , то ( s  1, n , j  1, n ), t  1, n ): ls,t

 i  s  min  &  j  t  min  ; 2)Если найден: ls,t  pij то конец, иначе п.3; 3)Выполнить поиск  ls,t ( s  1, n , t  1, n ):  i  s  min  &  j  t  min  то конец, иначе сообщение о полной замене P ; По данному алгоритму выходит, что ответ L11 . Другой вариант, когда выходит из строя процессорная связь. В этом случае нам необходимо найти кратчайший путь обхода. Для этого зададим две точки – начальную и конечную. Отказавшую связь отметим как kij . в формульной форму это выглядит следующим образом: Если отказал kij ( i  1, n , j  1, n ): pq. начальная точка, а pq 1. 1 (( q  1, n ;   1, n )) - конечная точка; Далее применяем алгоритм Дейкстры, который и найдет кратчайший путь обхода. В дальнейших исследованиях планируется построение программной модели данной задачи с последующим ее аппаратным воспроизведением. Работа выполнена в рамках программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 годы» (проект 2012-1.2.1-12-000-2005-5368). Список литературы: 1. Борзов Д.Б., Соколова Ю.В., Масюков И.И. Алгоритм переразмещения программ в отказоустойчивых компьютерах. Сборник трудов XVIII

85

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века. Т1». – Донецк, 2012. – С. 90-93.

ВОЗМОЖНОСТИ РАСПАРАЛЛЕЛИВАНИЯ ПРОГРАММ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КОМПИЛЯЦИИ ДЛЯ МНОГОЯДЕРНЫХ ПРОЦЕССОРОВ Миронов Д.А., Борзов Д.Б. (ЮЗГУ, Курск, Россия) В современном мире всё больше и больше внимания уделяется ЭВМ с многоядерной архитектурой. Первый двуядерный процессор в мире был анонсирован в 1999 году (IBM Power 4 для серверов). Намного позже, лишь в мае 2005 года, Intel выпустила процессор Pentium D архитектуры x86-64, ставший первым двуядерным процессором, предназначенным для персональных компьютеров [1]. Массовое же распространение многоядерная техника получила не так давно, но многоядерные процессоры используются не только в настольных ПК и ноутбуках, но и в планшетах и даже телефонах. Проблема в том, что имеется не так много софта, который мог бы полностью использовать возможности всех ядер, а если такое ПО и есть, то оно не даёт полноценный прирост в несколько раз, а увеличивает его, как правило в неком процентном соотношении. Несомненно всё это зависит от успешности оптимизации кода, разделения его на простые задачи, которые ядра могут рассчитывать параллельно. Например, такое приложение как WinRAR – очень хорошо оптимизировано для большого количества ядер. Многие программы для монтажа видео, обработки звука также выдают хорошие результаты. Это связано с тем, что выполняются как правило похожие инструкции, поэтому если хотим добиться хорошей работы софта на нескольких ядрах, его нужно оптимизировать должным образом. Примером неоправданного использования нескольких ядер можно назвать мобильную ОС производства Google «Android» , как это отметила Intel [2]. Уже есть и двуядерные, и четырёхядерные устройства, но по сути использование нескольких ядер здесь – это просто маркетинговый ход. Да, прирост несомненно есть, но как правило он неоправдан. Факт состоит в том, что если мы хотим добиться быстрой работы приложения, то нам нужно разбивать задачу на много независимых друг от друга действий, каждое из которых будет выполнять отдельное ядро. Процесс компиляции программ тоже можно распараллелить. Во многих IDE уже введена возможность параллельной компиляции, например QtCreator, Microsoft Visual Studio 2008 и её старших версиях. Также процесс компиляции можно распараллелить на «железном» уровне, применяя специальные устройств, которое будет искать независимые друг от друга операторы в коде и передавать их на разные ядра. Одно из таких устройств рассматривается в статье Борзова Д. Б. «Устройство обеспечения распараллеливающей компиляции последовательных программ для вычислительных систем» [3]. Это специализированное устройство подключается к системной шине хостпроцессора по интерфейсу ввода-вывода GPIO16. Все вычисления идут в блоках F1-F4, каждый из которых содержит память для сохранения инструкций, поступающих от микропроцессорного ядра. Именно параллельные вычисления и являются ключевой особенностью многоядерной архитектуры. Для оправданного же использования распараллеливания необходимо создавать эффективное ПО, эффективные ОС.

86

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Работа выполнена в рамках программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 годы» (проект 2012-1.2.1-12-000-2005-5368). Список литературы: 1. Научно-образовательный центр «Параллельные вычисления» http://www.parallel-compute.ru/ 2. Отзывы Intel об ОС Android http://www.droidnews.ru/intel-uvereny-v-neehffektivnosti-mnogoyadernyh-processorov-podandroid 3. Борзов Д. Б., Дюбрюкс С.А. Устройство для формирования матрицы неполного параллелизма / Патент РФ №2421804, БИ №17, заявка №2009105570/08, опубликовано 20.06.2011

ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ QNX Николаев В.В., Рыбинская Т.А., Шаповалов Р.Г. (кафедра механики, ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) В 1980 году Гордон Белл и Дэн Додж разработали основу ядра, способного работать в реальном времени и создали компанию Quantum Software Systems, а в 1982 году была выпущена первая версия ОС (операционной системы) QNX, работающая на платформе Intel 8080, названная Qunix (Quick UNIX–Быстрый Юникс). По требованию корпорации AT&T, которая владела на тот момент торговой маркой UNIX, операционную систему пришлось переименовать в QNX, а уже в девяностых годах сама компания решила сменить название на QNX SoftwareSystems, или сокращенно – QSS. Спустя несколько лет после появления этой ОС была выпущена новая версия - QNX2, а еще через 10 лет (в середине 90-х) вышла QNX4. В ней было полностью переписано ядро с целью совмещения ОС со стандартом POSIX. Благодаря этому на неё перенесли X WindowSystem и программы для Unix, а также в ней появилась встроенная графическая система PhotonmicroGUI. В 2001 году была выпущена QNX6 (версия Neutrino). Сохранив многоядерную структура, эта система уже максимально совместимо с NetBSD и Linux, кроме того QNXсоответствует новой редакции стандартов POSIX. Последняя версия этой встраиваемой ОС – QNX 6.5, которая доступна клиентам QSS и поставляется со средой разработки Momentics, базирующейся на Eclipse. Такая среды предназначена для создания в различных устройствах целевых систем. СТРУКТУРА СИСТЕМЫ Те операционные системы, к которым привык рядовой пользователь, имеют монолитное ядро и являются большой программой с множеством подсистем. В QNX деятельность системы осуществляется самими запущенными процессами, при этом между системными программами и любыми пользовательскими нет особой разницы. Все процессы равноправны и могут быть оставлены или запущены в любой момент времени, а ядро представляет собой небольшую программу (в QNX 4 ее объем 8 Кб, в шестой версии – 20-30 Кб), написанную на ассемблере. Программа-ядро в основном планирует процессы и обеспечивает их взаимодействие. Благодаря такой архитектуре, при отказе одного из процессов, прекращение работоспособности системы крайне маловероятно. Подобные этой ОС относят к микроядерным, но у этих систем есть большой недостаток – рост накладных расходов при переключении между процессами. Однако специалисты считают этот недостаток не играющим определяющей роли.

87

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В QNX, как в системах реального времени программы должны выдавать результат, строго опираясь на заданный промежуток времени, что позволяет использовать ее в тех отраслях, где выполнение автоматизированных заданий и действий имеет четкое временное расписание. СОСТАВ QNX6 У некоторых новых пользователей QNX может вызвать недоумение состав и компоненты QNX6. За те десять лет, что QNX6 доступен пользователям, применялись различные варианты поставки QNX. Сейчас используется упрощённая и наиболее удачная схема поставки, и QNX 6.5.0 состоит из следующих двух основных компонентов:  QNX Neutrino — включает в себя микроядро (даже набор микроядер), драйверы, утилиты, графическую среду и т.д. для поддерживаемых аппаратных платформ (x86, MIPS, PowerPC, ARM, SH4).  QNX SDP (SoftwareDevelopmentPlatform) — включает в себя среду разработки Momentics IDE на базе Eclipse, компиляторы, заголовочные файлы и библиотеки для разработки, а также QNX Neutrino. Необходимо отметить, что QNX SDP доступен для Windows и Linux платформ. Официально поддерживаются только несколько дистрибутивов Linux, но на практике требуется не так и много, по большему счёту, только современная Java. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ QNX NEUTRINO В дистрибутив QNX6 входят помимо микроядра и драйверов ряд консольных утилит, как специфичных для QNX, так и общих для всех UNIX-подобных систем. Помимо этого присутствует графическая подсистема на базе Photon 2.0. Это самостоятельная графическая среда, которая не совместима ни с Windows, ни с X-Window. Однако, существует системный сервис XPhoton, который позволяет запускать графические приложения использующие X-протокол. Для QNX6 доступны и другие графические среды, которые основаны на технологиях AdobeFlashLite 3 (доступен отдельно) или Qt/Embedded (на данный момент в Foundry27 доступна версия 4.7.1). Помимо всего прочего QNX поддерживает систему управления пакетами NetBSDPackagesCollection, в которой доступно большое количество ПО с открытым исходным кодом как в виде собранных бинарных пакетов, так и в виде скриптов для сборки. ТИПЫ ЛИЦЕНЗИЙ QNX6 QNX – это коммерческая ОС, для установки которой требуется лицензия. Существуют различные виды лицензий QNX6: – коммерческая лицензия предполагает покупку ОСРВ QNX6 у дистрибьютора. Это необходимо делать в случае коммерческой разработки устройств или ПО на базе QNX; – академическая лицензия предоставляется вузам для обучения студентов и работы преподавателей; – пробная лицензия (на 30 дней) позволяет ознакомиться с полнофункциональной версией QNX и средой разработки, чтобы оценить целесообразность приобретения ОСРВ; – некоммерческая лицензия позволяет работать с QNX и вести некоммерческую разработку.

88

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ QNX QNX это в первую очередь операционная система для построения встраиваемых систем. Но одной из основных особенностей QNX является модульность и, как следствие, масштабируемость. Благодаря этому QNX может применяться и в миниатюрных контроллерах, и в настольных компьютерах. А прозрачная сеть QNX позволяет строить производительные сетевые кластеры. Обычно операционная система реального времени QNX применяется там, где требуется высокая надёжность системы: медицинская техника, военная техника и вооружение, нефтегазовая и металлургическая промышленность и т.д. В конце прошлого десятилетия QNX стал развиваться в сторону поддержки мультимедиа технологий, что способствовало появлению проекта QNX Car, а также планшетного ПК BlackBerryPlayBook. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ QNX В 1982 году QNX попала под запрет комитета COCOM как технология двойного назначения. Этот запрет был снят в 1990 году, однако жёсткая политика лицензирования привела к тому, что в странах Восточного блока система не получила широкого распространения. На сегодняшний день единственным ограничением на широкое использование QNX является высокая стоимость лицензии и сильная зависимость от QNX SoftwareSystems в плане лицензирования разработанного программного обеспечения. Но, тем не менее, она занимает лидирующую позицию среди ОС реального времени на платформе ПК. Примеры применения QNX за рубежом Наиболее ярким примером применения QNX является работа с кредитными карточками VISA во всех региональных офисах Северной Америки. Управление дорожным движением. В канадском городе Оттава-Карлтон на базе QNX разработана система управления движением городского муниципального транспорта. Эта система объединяет около 700 светофоров и 3000 придорожных датчиков на протяжении 1100 километров шоссе. Пропускная способность этих шоссе — 5,4 млрд автомобилей в год. Кроме времени и продолжительности переключения сигналов светофоров на каждом перекрёстке города данная система управления должна фиксировать происходящие события, анализировать работоспособность оборудования через придорожные датчики. Управление ядерным реактором. Одно из отделений канадской компании AtomicEnergyofCanada, которая известна как разработчик, производитель и продавец ядерных реакторов, специализируется на разработке программных продуктов по управлению и мониторингу. На основе QNX этим отделением разработана система управления ядерным реактором, которая называется «Распределённая система управления с открытой архитектурой» (OpenArchitectureDistributedControlSystem). На март 2009 года решения на базе QNX лицензированы для использования на более, чем 10,1 миллионах единиц техники от практически всех ведущих производителей автомобилей. Примеры применения QNX в России и СНГ Как правило, это системы в промышленности, которые управляют довольно сложным и ответственным производством с очень высокими требованиями по времени реакции на аварийные ситуации, требованиями к надёжности и непрерывности управления.

89

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Наиболее известным применением QNX в России является система автоматизированного контроля и управления разводкой Троицкого моста через Неву в СанктПетербурге, реализованная ЗАО НПП «Промтрансавтоматика». Эта система эксплуатируется с апреля 2002 года. После реконструкции мост ни разу не выбился из графика разводки. Система управления северными магистральными нефтепроводами, расположенная в Ухте. Система включает в себя шесть операторских мест с горячим резервированием, которые выполняют управление одновременно по четырём направлениям магистрального нефтепровода на участке Ярославль-Ухта (протяжённость 1500 км). Система «Сириус-QNX», предназначенная для оперативного диспетчерского контроля и управления технологическим процессом перекачки нефти по участкам восьми магистральных нефтепроводов ОАО «Сибнефтепровод». Общая протяжённость системы нефтепроводов в однониточном исполнении составляет 3696 км. Система автоматизации станов холодной прокатки на базе QNX внедрена на 5клетевом стане Магнитогорского металлургического комбината. Системы управления металлургическим производством на базе QNX работают в Норильске, Нижнем Тагиле, Электростали. Информационно-управляющая система компрессорного цеха газоперекачивающего предприятия, внедряется на объектах предприятия ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород», входящего в ОАО «Газпром». В настоящее время система внедрена в Моркинском ЛПУ МГ, Вятском ЛПУ МГ, Вязниковском ЛПУ МГ и Владимирском ЛПУ МГ, КС «Вязники». Многоканальные, информационно-управляющие комплексы огневых стендовых испытаний узлов ракетных двигателей, выполненные на QNX 6 и программном продукте Octavo. Таким образом, QNX представляет собой встраиваемую операционную систему реального времени для ответственных применений. Благодаря архитектуре на основе микроядра, защите памяти процессов и встроенным механизмам отказоустойчивости, QNX обеспечивает прочный фундамент для высоконадежных систем, требующих безотказной работы в непрерывном режиме. Широкая поддержка стандартов POSIX обеспечивает QNX гибкую расширяемость за счет переноса готового кода из других операционных систем; в сочетании с сертифицированными версиями ядра и поддержкой высокой готовности это позволяет разрабатывать на базе QNX системы широчайшей функциональности, обеспечивая при этом высокую надежность, безопасность и качество обслуживания. Список литературы: 1. Зыль С. Проектирование, разработка и анализ программного обеспечения систем реального времени. – С-Пб.:. БХВ-Петербург, 2010.

2. Роб Кертен. Введение в QNX Neutrino 2. Руководство для разработчиков приложений реального времени. – С-Пб.: БХВ-Петербург, 2005. 3. Дорогов А.Ю. Синхронизация и взаимодействие программных потоков в операционной среде реального времени: Учебное пособие. – С-Пб.: БХВ-Петербург, 2007.

90

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ПРОЕКТИРОВАНИЕВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ СИСТЕМЫКОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА АВТОМОБИЛЯ Полуянович Н.К., Соловьёв М.А. (кафедра ЭиМ ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) Кондиционирование обеспечивает автоматическое поддерживание необходимых кондиций воздушной среды в салоне автомобиля. Кондиция воздуха включает в себя следующие параметры: температуру, влажность, скорость движения, чистоту, содержание запахов, давление, газовый состав и ионный состав. При проектировании.в зависимости от назначения выбирают требуемые кондиции воздушной среды, наиболее важные для конкретных условий их применения[1]. Кондиционирование воздуха обеспечивается применением специальных систем [1]. Под термином системы кондиционирования воздуха (СКВ) подразумевается комплекс устройств, предназначенных для создания и автоматического поддержания в салоне автомобиля величин параметров воздушной среды. Проектируемые автомобильные СКВ являются комфортными, они должны обеспечить наиболее благоприятные условия для водителя и пассажиров. Работоспособность и самочувствие человека в значительной мере определяются тепловым балансом его организма и наиболее оптимальны в условиях окружающей воздушной среды на уровне теплового комфорта. Выбор программы и разработка алгоритма. Важной задачей проектирования является исследование процесса охлаждения (нагрева) салона автомобиля и влияния происходящих процессов на человека,в работе, была использовано программа STAR-CCM+, рис.1.

Рис.1. Демонстрация пересечений свободных граней Комплекс предназначен для решения задач механики сплошных сред и обеспечивает небывалую точность, надежность и гибкость при решении задач вычислительной механики сплошных сред.

91

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В качестве исходного материала была использована высокополигональная трехмерная модель HondaCivic созданная в 3D StudioMax, которая в процессе была доработана до требований программы моделирования. 3D модель имела исходный тип файлов *.max для импортирования в программу STAR-CCM+, была конвертирована в тип поверхностной сетки *.stl. Модель для расчета имеет вид рис.1.Для выбора физической модели процессов, которые будут происходить в салоне автомобиля задаются начальные условия для области и границ (рис.1). В программе STAR-CCM+ области и границы имеют свои свойства в зависимости от того какой способ начальных параметров задан[2]. Используемые уравнения. Для моделирования движения воздуха используем уравнение Навье-Стокса:

где – вектор скоростей; P – давление; t – время; – молярная вязкость; – турбулентная вязкость; – плотность воздуха; – ускорение свободного падения; – коэффициент объемного расширения воздуха. Алгоритм работы система автоматического кондиционирования. Степень открытия заслонки воздушного смесителя устанавливается по заданным характеристикам. По ним определяется степень открытия, соответствующая вычисленной температуре воздуха на выпуске, рис.2. Регулирование температуры воздуха (от холодного до теплого) обеспечивается изменением состава смеси из охлажденного и нагретого потоков воздуха.

Рис.2. Алгоритм управления климат - контролем автомобиля Положение заслонки воздушного смесителя плавно регулируется от полностью открытого состояния до полностью закрытого мембраной сервомеханизма, приводимой

92

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

в действие разрежением. Сервомеханизм связан с потенциометром, сигнал которого пропорционален степени открытия заслонки. В результате образуется сигнал обратной связи, позволяющий сделать близкими реальную и вычисленную степени открытия заслонки рис.2.Спроектирована система управления системой кондиционирования воздуха автомобиля, структурная схема которой представлена на рис.3.Создана программа реализующая описанный алгоритм, рис.2.

Рис.3.Структура ЭБУ автоматического кондиционирования Заключеие. Спроектирована СУ системой кондиционирования воздуха автомобиля. Разработан алгоритм решения уравнений модели. Создана программа реализующая описанный алгоритм. Предложена модель, описывающая движение воздуха в салоне автомобиля, учитывающая влияние тепла на движение потоков воздуха. Список литературы: 1. Ясинский Ф.Н., Кокорин А.С. Математическое моделирование процессов вентиляции и отопления в больших производственных, культурных и спортивных помещениях. - Вестник ИГЭУ, вып. 3, 2010. 2. Аверкова О.А. Вычислительный эксперимент в аэродинамике вентиляции. Белгород: Изд-во БГТУ, 2011, 110 с.

3. Числительные методы и параллельные вычисления для задач механики, газа и плазмы: Учеб. Пособие/Э.Ф. Балаев, Н.В. Нуждин, В.В. Пекунов и др.; ИГЭУ – 2003

93

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОЗОНОВОЙ ДЫРЫ, ВОЗНИКАЮЩЕЙ ПРИ ЗАПУСКЕ ЖИДКОТОПЛИВНОЙ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ* Пугачев А.Д., Цымбалов Д.С. (ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, Россия) Запуск космических объектов при помощи ракет-носителей (РН) актуализует сохранение естественной физико-химической динамики озоносферы. Нарушение стратосферного баланса и динамики O3 влияет не только на перенос УФ излучения к поверхности Земли, но также на химизм нижней атмосферы. Научную основу нацеленных на решение проблемы мер составляют экспериментальные исследования ракетных возмущений озоносферы в сочетании с вычислительным экспериментом [1-4]. Итоги исследований, в которых систематизированы модели воздействия ракет на стратосферный озон, состоят в следующем: 1) локальные (десятки километров ?

1 ? 3 тысячи секунд) ракетные возмущения озоносферы стали в последнее время доступными для экспериментального изучения, в то время как долгосрочные последствия не подлежат уверенному мониторингу; 2) удалось ранжировать риски нарушения озоносферной динамики в зависимости от химического состава ракетных топлив – наиболее опасны твердотопливные РН, вбрасывающие в стратосферу соединения хлора и частицы алюминия, которые катализируют «хлорный» цикл гибели озона; вклад жидкотопливных РН представляется в глобальном плане несущественным; 3) адекватная схематизация диссипации реактивной струи РН пока не предложена; 4) кинетическое описание процессов в следовом облаке базируется на упрощенных схемах реагирования, а радиационное поле принимается не зависящим от инициированных химизма и процессов мезомасштабного переноса; 5) остро востребованы упрощенные модели, нацеленные на качественную интерпретацию экспериментальных данных. Расчетным путем установлено [1,2], что деструкция стратосферного озона в сопоставимой степени зависит от наземных и ракетных источников озон веществ. Первичные озоновые дыры, в которых практически отсутствует озон, существуют от десятка минут до нескольких часов (достигая размера в несколько километров), после чего рассасываются. Их динамика слабо зависит от вида жидкого реактивного топлива. Наиболее безопасны для озоносферы гептильные ракеты, озон-активные выбросы которых не характеризуются кумулятивным действием. Существенно опасней твердотопливные РН на Cl-содержащих топливах. В следе таких РН значительная часть HCl трансформируется в катализирующие распад озона частицы Cl и Cl2. Ввиду длительности пребывания частиц активного хлора в стратосфере (свыше 2 лет), озоновая дыра глобализуется. Процесс ускоряют содержащие алюминий: их влияние на глобальное истощение озона оценивается величиной до 2.6 ? 10-8 относительных единиц ежегодно. Также установлено, что величина коэффициента турбулентной диссипации реактивного следа в ряде предшествующих работ занижена на порядок. Результаты наблюдений хорошо объясняет отработанная авторами модель рассеивания реактивного ракетного следа в стратосфере – с двумя последовательно реализующимися механизмами диссипации, сменяющими один другой через ~ 10 минут после пролета ракеты. Иерархия известных моделей диссипации ракетного следа показана на рис. 1.

*

Работа выполнена при поддержке Фонда ALCOA.

94

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рис. 1. Иерархия моделей диссипации реактивного следа ракеты-носителя Редуцированная модель возмущения озоносферы РН «Протон», динамика озоновой «дыры» согласно этой модели приведена на фрагменте б рис. 2, выражается уравнениями [NO] = – kNO[M][NO] , [NO]|t = 0 = [NO]0 S(rini, 0) , [O3] = – kO3[O3]ph[NO] , [O3]|t = 0 = [O3]0 S(rini, 0) ,

(1) (2)

a  2b 3 / a  t  3b 3t 2 , S(r, t)  sign [rini (1  at )(1  b 3 / a  t 2 )  r 2 ] / (1  at )(1  b 3 / a  t 2 ) [(1  at )(1  b3 / a  t 2 )] , kNO[M]  10-2 с-1, kO3[O3]ph  10-4 с-1, rini  10 м, [O3]0/[O3]ph  0.02, [NO]0/[O3]ph  30  100 – эффективные параметры маломерной модели (1)-(2). Решением этих уравнений служит [O3](r, t) = {[O3]0 + kO3[O3]ph[NO]0/(kNO[M])  [exp(– kNO[M]t) – 1]} S(r, t) .

(3) где



д/дt

+

Результаты выполненных исследований полезны при выработке экологичных стратегий использования космического пространства. Фактически они ведут к снижению ущербов природной среде и стимулируют развитие аэрокосмических технологий. Список литературы: 1. Lohn P.D., Wong E.Y. The effects of rocket exhaust on stratospheric ozone: chemistry and diffusion / Sci. Report by TRW Space & Electronics Group, MIT, Cambridge, MA, Lawrence LNL, Livermore, CA, 1996. 151 p. 2. Tyrrel W., Smith Jr., Edwards J.R. et al. Summary of the impact of launch vehicle exhaust and deorbiting space and meteorite debris on stratospheric ozone / Sci. report by TRW Space & Electronics Group, MIT, Cambridge, MA, Lawrence LNL, Livermore, CA, 1999. 146 p. 3. Экологические проблемы и риски воздействия ракетно-космической техники на окружающую природную среду. Справочное пособие / Под ред. А.В. Адушкина. М.: Анкил, 2000, 640 с. 4. Фадин И.М., Полетаев Б.И., Сидоров В.Н. Экология космоса. С.-Пб.: Изд-во БГТУ «ВОЕНМЕХ», 2005. 280 с.

95

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОИЗВОЛЬНОГО ПОДХОДА ЛАГРАНЖАЭЙЛЕРА ПРИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ SIMULIA / ABAQUS Сидорова Е.В., Соосар В.А. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) 1. Введение В большинстве случаев, программное обеспечение для моделирования термомеханических процессов обработки материалов при больших деформациях базируются на одном из двух методов – на методе конечных элементов или на методе натуральных элементов. Основным преимуществом метода натуральных элементов является бессечатая структура, позволяющая избежать деградации элементов, особенно при больших деформациях. Однако, такой недостаток, как сложность наложения граничных условий, ориентирует наш выбор на метод конечных элементов. Одной из главных проблем данного метода является деградация конечно-элементной сетки. В 90-х годах Rakotomalala R., Joyot P. и Pantale O. скомбинировали подходы Лагранжа и Эйлера в Произвольный подход Лагранжа-Эйлера, обеспечивающий автоматическое непрерывное перезонирование и избегающего, таким образом, проблем деградации конечно-элементной сетки, возникающих при использовании подхода Лагранжа [1]. Среди наиболее распространённых программных продуктов для термомеханического моделирования процессов резания методом конечных элементов, программный комплекс SIMULIA/Abaqus (компания Dassault Systemes, Франция) представляет интерес с точки зрения точности получаемых результатов, открытости программного кода, возможности интегрировать различные законы поведения материалов и их взаимодействий. Целью работы является разработка методики применения Произвольного подхода Лагранжа-Эйлера при термомеханическом моделировании процесса резания пластиной с PVD-покрытием в программной среде SIMULIA / Abaqus. Для этого необходимо решить следующие задачи: - выполнить анализ Произвольного подхода Лагранжа-Эйлера; - определить граничные условия при резании режущей пластины с PVDпокрытием; - определить структуру конечно-элементной сетки.

2. Основное содержание и результаты работы При Произвольном подходе Лагранжа-Эйлера (рис. 1). [2] узлы сетки не зафиксированы в пространстве (как в случае подхода Эйлера) и не перемещаются вместе с материальной точкой (как в случае подхода Лагранжа) – они имеет свои собственные уравнения движения. Материальные точки представлены совокупностью Лагранжевых координат

, а пространственные – координат Эйлера

и начальными точками (узла-

ми на сетке) вместе с совокупностью произвольных координат . В момент t точка пространства

является материальной точкой и начальной точкой

риальная скорость частиц ной производной

за счёт материального движения

посредством движения сетки

получена производной

96

, а скорость сетки

. Мате- смешан-

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 

vx

x t

и v  x  X cte

x t

.

(1)

X cte

Все физические величины рассчитываются для точек пространства времени t.

в момент

Рис. 1. Описание движения точки пространства для Произвольного подхода Лагранжа-Эйлера [2] Законы сохранения энергии учитывают движение конечно-элементной сетки [2]: 

 c  divv  0 ; 

 v cv  f  div ; 

 e  ce   : D  div q  r ,

(2)

где ρ - плотность, – сила, σ – тензор напряжений Коши, e – внутренняя удельная энергия, D – тензор скорости деформации, r – тепло, выделяемое телом, - вектор теплового потока. Рассмотрим применение данного подхода при резании режущей пластины с PVD-покрытием (толщина 5 мкм) с геометрическими параметрами ATI Stellram CNMG542A-4E SP0819 CNMG160608E-4E (рис. 2).

Рис. 2. Геометрические параметры режущей пластины и обрабатываемого материала

97

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Граничные условия для конечно-элементной сетки и для материала представлены на рис. 3 и 4, где U1, U2 – закрепление перемещения конечно-элементной сетки по соответствующему направлению, V1, V2 – скорость движения материала по соответствующему направлению.

Рис. 3. Граничные условия для конечноэлементной сетки

Рис. 4. Граничные условия для материала

Для нанесения конечно-элементной сетки был выполнен следующий порядок действий. Разбиение обрабатываемого материала на части и выбор размера начальной стружки был осуществлён в рамках выполнения следующих соотношений (рис. 5) : b = 1,36∙a; c = 0,64∙a, d = 0,82∙a, R = 0,5∙a. Учитывая сложности наложения сетки на очень малые размеры, какими является размеры PVD-покрытия, разбиваем пластину следующим образом, представленным на рис. 6 с целью возможности наложения структурированной сетки.

Рис. 5. Схема разбиения обрабатываемого материала на части

Рис. 6. Схема разбиения на части режущей пластины

Выбираем квадратичную структурированную форму для всех элементов обрабатываемого материала. В режущей пластине элементы PVD-покрытия имеют квадратичную структурированную форму, элементы подложки - квадратичную свободную форму. Разметка конечно-элементной сетки выполнена, как показано на рис. 7.

98

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рис. 7. Разметка конечно-элементной сетки детали и пластины (n – число элементов на стороне; r – увеличение элементов вдоль стороны, числитель – коэффициент увеличения числа элементов, знаменатель – число элементов) Заключение. Для применения Произвольного подхода Лагранжа-Эйлера при термомеханическом моделировании процесса резания пластиной с PVD-покрытием необходимо учитывать особенности наложения граничных условий и конечноэлементной сетки в программной среде SIMULIA / Abaqus. Представленная методика позволяет избежать проблем, связанных с деградацией конечно-элементной сетки. Список литературы : 1. Germain, G. Contribution a l’optimisation du procede d’usinage assiste laser: these presentee pour obtenir le grade de docteur: mecanique, materiaux et procedes / Germain Guenael; ENSAM d’Angers. – Soutenue 04.12.06. – Angers, 2006. – 175 p. 2. Pantale O., Bacaria J.-L., Dalverny O., Rakotomalala R., Caperaa S. 2D and 3D numerical models of metal cutting with damage effects. // Comput. Methods Appl. Mech.

Engrg. 193. – 2004, p. 4383–4399.

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ БУРОВОЙ КОЛОНКИ ПРОХОДЧЕСКО-АНКЕРОВАЛЬНОГО КОМБАЙНА КПА ДЛЯ ИНТЕНСИВНОЙ ПРОХОДКИ Шабаев О. Е., Толстов М. В. (кафедра Горные машины, ДонНТУ, Донецк) За рубежом с повсеместным развитием анкерного крепления выработок, наибольшее распространение получило прогрессивное направление проходческодобычных комбайнов типа BOLTERCONTINUOUSMINERS. Отличительной особенностью которых, является барабанный режущий орган с горизонтальной осью вращения и с шириной захвата на всю ширину выработки, а также встроенные средства анкерного крепления. Ведущими лидером в этом направлении являются фирмы: JOY и SANDVIK Данный тип комбайнов отличает более высокая производительность проходки по сравнению с широко распространёнными стреловидными проходческими комбайнами. Достижение более высоких темпов проведения подготовительных выработок достигается за счёт совмещения во времени операций по разрушению горного массива и крепления обнажённой кровли, что значительно сокращает затрачиваемое время на один цикл.

99

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Отечественный анкерно-проходческий комбайн КПА имеет компоновку аналогичную зарубежным комбайнам. Соответственно он и унаследовал те недостатки, которые им присущи. Для получения высоких показателей при ведении проходческих работ комбайн КПА также оснащён шестью бурильными колонками, которые обеспечивают одновременную установку 4-х анкеров в кровлю и последующую установку 2-х анкеров в бока выработки.

Рис. 1. Общий вид модернизированного комбайна КПА Процесс разрушения забоя и установки анкеров гидравлически и механически автономны, а наличие телескопируемой части комбайна, которая включает в себя исполнительный орган, погрузочный орган, конвейер, и может перемещаться относительно корпусной части на 1м, позволяет вести работы разрушения и крепления одновременно.

Рис.2. Схема установки анкеров

100

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Встроенные анкеровальные буровые колонки в комбайнах такого типа конструктивно могут располагаться только за исполнительным органом. Тем самым увеличивается расстояние от груди забоя до первого ряда анкеров. В горно-геологических условиях залегания угольных бассейнов Украины даже временная крепь поддержания обнаженного пространства как правило не допустима, поскольку при снятии её распора в кровлю, в момент перемещения комбайна к забою, возможно расслоение кровли и вывалы. Поэтому для эксплуатации комбайна КПА на Украине необходимо изменить конструкцию жёсткого крепления боковых вертикальных буровых колонок с возможностью перемещения их к забою по направляющим балкам и установке необходимого количества анкеров на расстоянии, допустимом паспортом крепления выработки конкретной шахты. Данная работа является актуальной в условиях растущих потребностей подготовки новых высокопроизводительных лав, которые требуют значительного повышения темпов проходки подготовительных выработок. Это можно достичь только при применении высокопроизводительных комбайнов типа BOLTERCONTINUOUSMINERS. Но поскольку не во всех горно-геологических условиях возможна производительная работа этих комбайнов, то данная дипломная работа позволит значительно расширить область применения проходческого комбайна КПА за счёт своевременного закрепления и поддержания обнажённой кровли в непосредственной близости от забоя при проведении выработок с кровлей, склонной к обрушению. Также, позволит отказаться от ручного непроизводительного бурения шпуров под анкера у забоя, при длительных простоях комбайна. В рассматриваемом комбайне КПА установка первого ряда анкеров возможна только на расстоянии от забоя min 1800мм. При этом все буровые колонки жестко крепятся к основной раме комбайна и имеют возможность только качание перпендикулярно оси комбайна. Тем не менее, существующая конструкция комбайна и месторасположение боковых буровых колонок позволяет переместить их на 1м ближе к забою при изменении конструкции крепления таким образом, чтобы получить дополнительную степень свободы, а именно возможность прямолинейного возвратно-поступательного перемещения всей колонки. Способ реализации данного проекта может быть различным, но обязан отвечать ряду условий: 1. Конструкция механизма должна быть технологичной, как при изготовлении, так и при эксплуатации.

2. Работа механизма перемещения должна быть простой и легкообслуживаемой.

3. Конструкция должна обеспечивать безопасность и санитарные нормы ведения работ по бурению и анкерованию кровли. На данный момент зачастую, чтобы установить первый ряд анкеров, согласно паспорта, горнорабочим приходиться держать на участке ручные буровые колонки, которые после обработки забоя вручную доставляются к месту анкерования, проводят операции по подключению к системам энергообеспечения и только затем производят бурение и анкерование. Как видно технологический процесс достаточно трудоемкий и продолжительный по времени. В данной работе были рассмотрены возможные конструкции механизма перемещения буровой колонки.

1. Механизм перемещения с цепным тяговым органами с системой полиспаста.

101

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рис. 3. Механизм перемещения с цепным тяговым органом и с системой полиспаста Состоит из: - кронштейна 1, жестко закрепленного на комбайне и имеющего регулируемые захваты 2, в которых фиксируются направляющие опоры податчика с возможностью прямолинейного перемещения относительно них на необходимую величину.

- податчика 3 в виде рамы коробчатой конструкции и имеющего направляющие опоры 4, по которым происходит перемещение.

- элементов жесткого крепления 5 буровой колонки к податчику для одновременного их перемещения.

- полиспастный механизм с гидроцилиндром податчика 6, с блоком обводных звездочек 7 и тяговой роликовой цепью 8, идентичной той, что применяется в самой буровой колонке для перемещения бурильной каретки 9 (ПР-12.7-1280 ГОСТ13568-75). Применение системы полиспаста позволяет сократить величину хода гидроцилиндра до 500м с сохранением общего хода податчика с буровой колонкой равной 1м. Данный механизм имеет ряд недостатков: - наличие роликовой цепи понижает безотказность конструкции; - конструкция комбайна в месте установки механизма должна иметь свободное пространство, в виду того, что податчик имеет длину более 1м, как в сложенном, так и в выдвинутом положении; 2. Манипулятор перемещения с ходовой винтовой парой.

102

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рис. 4. Манипулятор перемещения с ходовой винтовой парой Состоит из: - кронштейна 1, жестко закрепленного на раме комбайна и имеющего регулируемые направляющие захваты 2, в которых фиксируются направляющие опоры податчика с возможностью прямолинейного перемещения относительно них на величину, равной длине ходового винта.

- податчика 3 в виде рамы, поперечное сечение которой может быть представлено или квадратом или кругом, и имеющего направляющие опоры 4, по которым происходит перемещение; - кронштейн крепления 5 податчика с буровой колонкой 6 для совместного их перемещения; - винтовой механизм, состоящий из гидромотора 7, выходной вал, которого соединен с ходовым винтом 8, гайки 9, которая неподвижно закреплена в неподвижном кронштейне рамы комбайна. В гайке и на винте нарезана одна и та же скругленная ходовая резьба. Вышеописанный механизм имеет свои определенные недостатки: - наличие гидромотора значительно удорожает конструкцию; - конструкция комбайна в месте установки механизма должна иметь свободное пространство, в виду того, что податчик имеет длину более 1м, как в сложенном, так и в выдвинутом положении; - для изготовления винтовой пары с винтом длиной более 1м необходимо наличие специализированного оборудования и точности изготовления, что сказывается на увеличении себестоимости механизма.

3. Манипулятор перемещения с телескопическим гидроцилиндром.

103

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рис. 3. Манипулятор перемещения с телескопическим гидроцилиндром Состоит из: - кронштейна 1, жестко закрепленного на комбайне и имеющего цилиндрическую опору 2, в которой расположен цилиндрический телескопический податчик с возможностью прямолинейного перемещения относительно нее на величину 1м; - телескопического податчика 3, который выполнен в виде двух труб разного диаметра, причем труба меньшего диаметра входит в трубу большего диаметра и имеет возможность перемещаться относительно друг друга; - элементов жесткого крепления 4 буровой колонки к податчику для одновременного их перемещения; - гидроцилиндра подачи 5, который расположен внутри цилиндрического полого податчика и имеет двойную раздвижность для уменьшения габарита всего механизма. В данной конструкции рабочая жидкость под давлением подается в поршневую полость гидроцилиндра, в результате чего происходит выдвижение штока. Поскольку проушина штока жестко связана с цилиндрическим податчиком, то происходит его перемещение относительно цилиндрических опор кронштейна. Податчик выдвигается вместе с буровой колонкой на величину 1м. При подаче рабочей жидкости в штоковую полость происходит возврат буровой колонки в исходное положение. Поскольку гидроцилиндр и податчик имеет двойную раздвижность, то это позволяет иметь небольшой габарит всего механизма, что в условии существующей конструкции комбайна является актуальным и не требует дополнительной перекомпоновки всего комбайна. Выводы. В данной дипломной работе был модернизирован проходческоанкеровальный комбайн КПА отечественного производства. Комбайн КПА является представителем прогрессивного направления в области проведения подготовительных выработок с использованием встроенных систем анкерования (крепления) кровли и боков проводимых выработок. В результате оснащения комбайна разработанным теле-

104

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

скопическим манипулятором вертикальных буровых колонок значительно расширилась область применения данного комбайна в выработках с кровлей слабой и средней степенью устойчивости. Так же были проведены гидравлические расчеты по определению необходимых расходов и давлений рабочей жидкости для обеспечения рекомендуемых режимов бурения. Определены параметры бурения шпуров: скорость вращения патрона бурильной каретки, крутящий момент на валу гидромотора бурильной каретки, усилие подачи буровой штанги на забой. Разработана конструкция телескопического манипулятора и схема его нагружения. Проведено 3D моделирование конструкции и прочностной расчет труб телескопа I и II ступени манипулятора с использованием программы SolidWorksSimulation и подобрана необходимая марка стали и термообработка для обеспечения достаточной прочности при максимальных нагрузках при бурении. Список литературы: 1. Проходческий комбайн КПА. Руководство по эксплуатации. 2. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов. Малеев Г.В., Гуляев В.Г. и др. – М.: Недра, 1988. – 368с. 3. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для вузов/Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. – М.: Машиностроение, 1982. – 423 с. 4. Юшкин В.В. Основы расчета объемного гидропривода. – Мн.: Выш. шк., 1982. – 93 с.

БОРТОВОЙ КОМПЬЮТЕР АВТОМОБИЛЯ Шушанов Г.И., Шаповалов Р.Г., Рыбинская Т.А. (кафедра механики, ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) «Бортовыми компьютерами» (другие названия – БК, автобк, бортовик, онбордер, tripcomputer) называют устанавливаемые в автомобиль дополнительные устройства, выполняющие одновременно функции маршрутного компьютера и диагностического автосканера. История автомобильных компьютеров началась в 1981 г., когда компания IBM разработала первый бортовой компьютер для автомобилей BMW. В 2000 г. американская компания Tracer создала и протестировала первый штатный онбордер и наладила их серийное производство. Существуют также китайские решения. Целый ряд современных автомобилей оснащен бортовыми компьютерами. Подобные программно-аппаратные комплексы:  собирают данные с различных датчиков;  анализируют проведенные измерения;  отображают информацию о текущем состоянии различных систем транспортного средства на экран;  выдают водителю соответствующие рекомендации. Использование бортового компьютера позволяет своевременно выявлять явные и скрытые неисправности в работе автомобильных узлов, а значит, вовремя проводить необходимые ремонтные операции. В результате экономятся средства на диагностику в автосервисе, а эксплуатационный ресурс транспортного средства продлевается.

105

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

История создания бортового компьютера в России начинается с появления в отечественном автопроме инжекторных автомобилей. Диагностические устройства для этих автомобилей разрабатывала единственная в Советском Союзе научноисследовательская лаборатория № 15 при Тольяттинском государственном университете (заказчиками НИЛ-15 были такие организации, как ЗИЛ, МВД и Министерство обороны).Самый первый бортовой компьютер под названием ПКСУ (позже модифицированный и переименованный в Штат Х1) был разработан в этой лаборатории в 1987 году для микропроцессорной Лады-2108. Нашла инвесторов, доработала конструкцию и довела до серийного выпуска данное изделие компания «Штат». Основным преимуществом автомобильного компьютера является функциональность. С использованием автомобильного компьютера отпадает необходимость в отдельной установке навигатора, парктроника, телевизора, DVD. Каждое из этих полезных устройств требует отдельное место для установки и управляется отдельно. В автомобильном компьютере чаще всего управление организовано через сенсорный жидкокристаллический монитор (размеры от 7" до 15" по диагонали). Мониторы могут быть моторизированные и ручные, встраиваемые в консоль, имеют монтажные размеры 1/2DIN, 1DIN или 2DIN, встраиваемые в крышу, отдельно стоящие (съемные). Для разных марок автомашин есть мониторы, встраиваемые в торпеду и полости. Кроме ставших уже стандартными автомобильных функций (телевизор, GPS, DVD) – автомобильный компьютер позволяет использовать в дороге интернет и электронную почту, диагностирует электронику автомобиля, производит видеозапись дорожной ситуации, а также имеет множество других полезных функций. Автомобильный компьютер позволяет управлять режимами GPS – оперативно менять карты, использовать как векторные, так и растровые карты. Использование интернета позволяет отслеживать пробки на дорогах, слушать интернет-радио, просматривать видеоконференции, искать необходимую информацию вдали от дома или офиса. Автомобильный компьютер выполняет функцию антирадара (или подключается к имеющемуся). Громкая связь и дорожная рация, управление звуковыми сигналами и парктроник – все это в одном устройстве! Для любителей быстрой езды на автомагистралях и частых поездок по многокилометровым пробкам автомобильный компьютер может иметь функцию управления инжектором. Можно в режиме реального времени делать мощнее или, наоборот, уменьшать мощность автомобиля для понижения расхода топлива и реализации более плавного начала движения (для пробок) у мощных двигателей. Для этого понадобится кабель (типа OBD-II, ELM327, VAG-com и другие) для подключения процессора инжектора к автомобильному компьютеру и соответствующий софт. Бортовые компьютеры российского производства «специализируются» в основном на получении информации с контроллера автомобиля, а также режимах оповещения об аварийных сбоях и калькуляции маршрутных и иных параметров. В отличие от персонального компьютера, «бортовой маршрутник» имеет узкую ориентированность, направленную в первую очередь на диагностику и корректировку систем функционирования автомобиля. Умение БК можно разделить на категории: 1) Диагностика – тестер системы впрыска автомобиля (при этом генерируются коды ошибок с расшифровкой).

2) Определение мгновенных параметров – диагностический тестер параметров работы двигателя (температура охлаждающей жидкости, напряжение бортовой сети,

106

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

частота вращения вала, положение дроссельной заслонки, массовый расход воздуха, угол опережения зажигания, положение регулятора холостого хода) 3) Расчет маршрутных параметров – маршрутный компьютер, позволяющий оценить такие эксплуатационные параметры, как остаток топлива в баке, прогноз пробега на остатке топлива, общий расход топлива, расход топлива за поездку, пройденное расстояние за поездку, средний расход топлива, цифровой спидометр, средняя скорость, движения за поездку, черный ящик скорости, время поездки, стоимость поездки.

4) Аварийный сигнализатор – визуальное и звуковое оповещение водителя о нештатных ситуациях (опасный перегрев двигателя, недопустимое напряжение в борт сети, превышение порога скорости).

5) Дополнительные функции – программирование сроков техобслуживания, ОСАГО, органайзер, функция такси, прогрев/прожиг свечей, управление порогом включения вентилятора охлаждения, дополнительные корректировки параметров, автоматический октан-корректор и т.д. Список литературы: 1. Бортовые компьютеры “ШТАТ 110 х4”, “ШТАТ 110 х5”. Руководство по установке и эксплуатации. – Тольяттинский государственный университет, 2001. 2. Бортовой компьютер Штат Chevrolet Lanos L 1002M. http://www.shtat.ru

ACTIVE SYNTHESIS OF FIXED MACHINE DRIVE SYSTEMS AS A TOOL FOR REDUCTION VIBRATION Adamczyk J., Dzitkowski T., Dymarek A., Kaliński W. (Silesian University of Technology, Gliwice, Poland) 1. Introduction The selection of the dynamical properties of machines is one of the methods enhancing their durability and reliability. Such task may be accomplished with the use of the analysis and synthesis algorithm. The scope of this paper is a method of selecting the dynamical parameters of systems on the grounds of the synthesis algorithm [1-7].

The determination of such structure of the system and its parameters that meets the requirements concerning the assumed dynamical phenomena is a task inverse to analysis, therefore, it is a synthesis. Such task may be regarded as a support of the stage of designing mechanical systems, where an essential element is the fulfillment of the required dynamical properties. These properties may be represented in a graphic or analytical form, or in a form of sequential zeros and poles, which shall be considered in the paper.

The scope of this paper is a problem of vibration reduction in designed mechanical systems. The method of reduction has been based on active synthesis [4-7], which makes it possible to obtain the desired mechanical effect through the proper selection of dynamic properties of the system, including the calculation of the active force as a function of the system force feedback. The presented work extends the task of synthesis with new methods, with particular focus on the method of active synthesis of vibrating mechanical systems. Active synthesis is understood as a search for parameters and structure of dynamic systems in conjunction with the value of the adjusting force based on the requirements put forward. These requirements apply to obtaining the set dynamic properties of systems with control as characteristic functions (impedance, mobility).

2. Synthesis of fixed machine drive systems

107

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

The first step of active synthesis is setting the parameters and strucc1 c1 c2 c2 ture of the system - passive synthesis.

2 2 2 2 The cascade structure of the proposed J2 J2 system (see Fig. 1), together with the J1 2 2 values of the inertial and elastic eleFig. 1. Discrete system obtained through synments (see Tab. 1), was obtained usthesis ing combining the method of distribution of the dynamic characteristics into a continued fraction with the method of proportional distribution – theoretical details and numerical examples of this method are presented in [4].

M

Table 1. Values of the inertial and elastic elements of the sought system J1 [kgm2] J2 [kgm2] c1 [Nm/rad] 1.00

2.40

600.00

 14.442 s 2  28.132  2 2 s  10  1  s 2  202  s  30  3  ,



s

360.00

After determining the parameters and structure of the passive system, it is possible to proceed to determine the force that will allow stabilising and reduction in vibrations of the system in the vicinity of the resonant state of the system (Fig.2).

With this in mind the dynamic characteristics is modified by the introduction of a parameter for the vibration frequency shift for a given resonance frequency - Δω, in the form:

Fig. 2. Dynamic characteristics of a system subjected to passive synthesis

Y1s  

c2 [Nm/rad]

2







(1) In considering the desired characteristics (1), the sought force is determined for the first inertial element - Fig.1. As a result of such modifications to the characteristics (1), there

108

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

occurs a shift of the first resonant frequency and the third resonant frequency. Examples of such defined modifications to characteristic is presented in Fig. 3.

In order to achieve a shift of the resonant frequency of the analysed system (Fig. 1), a control law is determined which enables the calculation of the actuation strength as a function of the feedback in the form: Fig. 3. Dynamic characteristics of a system subjected to active synthesis – shift of the first and third resonant frequency of the system

Fig. 4. Block diagram of the analysed control system

Y 1r s   where: Y11 s  

4

M  (k p11  k p 22  k p33 ) where: k p1 , k p 2 , k p3 , -

, (2) coefficients

of the gain of the control system dependant of the position of inertial elements of the analysed system.

In the following part, the method for calculating these coefficients has been shown, which in turn will permit the determination of the control force. For this purpose a block diagram is built of a closed system including the controllers for the force inductors in the system, as shown in Fig. 4.

Dynamic flexibility between the first input and output of the system with the vibration eliminator in the form of a dynamic force is as follows:

Y11 ( s ) 1  Y11 ( s)  Y11r ( s )  Y21 ( s )  Y21r ( s)  Y31 ( s)  Y31r ( s) , 2

1.2s  1200s  198000 6

1.44s  2016s 4  705600s 2  51840000

(3)

– the transfer function between the first input

and output of the analysed system in Fig.3, Y21 s  

360s 2  144000

– trans-

1.44s 6  2016s 4  705600s 2  51840000

fer function between the second output and the first input of the analysed system; Y31 s  

90000 1.44s  2016s  705600s 2  51840000 – the transfer function between the third output 6

4

and the first input of the analysed system, Y11r s   k p1 - transfer function of the controller in the force feedback loop from the first movement, Y21r s   k p 2 - transfer function of the controller in the force feedback loop from the second movement. Y31r s   k p 3 - transfer function of the controller in the force feedback loop from the third movement. The value of ampli-

109

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

fication factors of the control system is determined by comparing the characteristics (1) with the characteristic of dynamic flexibility of the control system in the force feedback loop (3).

As a result of the comparison of characteristics, including expressions with equal powers and taking into account the gain in the characteristic of the analysed system (3), three sets of equations have been determined, which will be used to determine the gain coefficients of the control force. In the case a shift of the first and third resonant frequency, it has the form:  3600001 2  72000001  240001 2  3   198000k  144000k  90000k   p1 p2 p3    4001 3 2  40000 3 2  2400000 3  ,  1.44     8000 3 2 1  4800001 3     1.2k p1 (4)  201  1 2  60 3   3 2 ,   1.44 1200k  360k 13001 2  260001  601 2  3  1 3 2   p1 p2  ,  1.44    500 3 2  30000 3  20 3 2 1  12001 3    

Assuming the values for natural frequency shifts: Δω1 = 5 [rad/s] and Δω3 = – 5 [rad/s], the values of a dynamic force is as follows: (5) M  (1801  562.5 2  180 3 ) .

The proposed method of active synthesis can be included in the method of proportional control with force feedback from the state.

4. Conclusion The paper presented discusses the formulation and formalisation of the problem of active synthesis of vibrating systems which is to be used as a computer-aided design tool for all operating conditions of the device. The proposed method of active synthesis of discrete mechanical systems is a combination of the passive synthesis methods with the method of determining the active force. The advantage of the proposed method is that, as a result of the synthesis, one obtains a large number of structures, system parameters and amplifications of control force which can substantially affect the optimal choice of parameters for the object in question.

References: 1. Dzitkowski T., Dymarek A., The synthesis of machine driving systems. 12th International Scientific and Engineering Conference - Machine-Building and Technosphere on the Border of the XXI Century, Donetsk – Sevastopol 2005, Vol. 5, p. 6670. 2. Dzitkowski T., Dymarek A., Design and examining sensitivity of machine driving systems with required frequency spectrum. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. Vol. 26, 2008, p.49-56. 3. Dzitkowski T., Dymarek A., Synthesis and sensitivity of multiaxial drive systems. Acta Mechanica et Automatica. Vol. 3, No. 4. Białystok 2009. p. 28-31. 4. Dzitkowski T., Dymarek A., Adamczyk J., Active synthesis of restrained machine drive systems using a comparative method. 18th International Scientific and Engineering Conference - Machine-Building and Technosphere on the Border of the XXI Century, Donetsk – Sevastopol 2011, Vol. 4. p. 50-54. 5. Dymarek A., Dzitkowski T., Design of damping systems with required frequency spectrum. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 49/2, 2011, p.269-274. 6. Dzitkowski T., Dymarek A., Active synthesis of multiaxial drive systems using a comparative method. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 49/2, 2011, p.275-284. 7. Dzitkowski T., Dymarek A., Active synthesis of discrete fixed mechanical systems using a comparative method.

Lecture Notes in Information Technology, Vol. 15, 2012, p.433-438.

110

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

ТЕНДЕНЦИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СМАЗЫВАЮЩЕ-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ (СОЖ) НА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ Астапенков Р.Г., Голубов Н.В. (ДонНТУ, Донецк, Украина) Обработка металлов резанием остаются основным способом изготовления деталей машин. При выполнении обработки на металлорежущем оборудовании используются смазывающе-охлаждающие жидкости (СОЖ), выполняющие ряд функций уменьшение температуры в зоне резания, удаление стружки и др. С увеличением объема материала удаляемого резанием увеличивается и объем используемой СОЖ. Затраты на производство и обслуживание СОЖ в различных случаях составляют от 5 % до 15 % производственных затрат в машиностроении ФРГ при затратах на инструмент порядка 4 % [1]. В 1997 г. в Германии было использовано около 800 000 т СОЖ. Стоимость одной тонны СОЖ в зависимости от ее состава колеблется в пределах 150– 1000 евро. При средней цифре в 500 евро затраты составляют 400 млн. евро, причем стоимость обслуживания и переработки отходов СОЖ превышает эту сумму и составляет в год в Германии около 600 млн. евро. Другой не менее важной в современных условиях причиной отказа являются все возрастающие требования к экологической и медицинской безопасности эксплуатации всех видов производственного оборудования. В странах ЕС и в США приняты многочисленные законы (порядка 250) [1], направленные на защиту здоровья человека, включая защиту от вредного воздействия СОЖ, на защиту воздуха, на уменьшение шума, вибраций и др. Это связано с тем, что в используемых СОЖ содержатся примеси хлора, серы, фосфора, нитриды калия, фенол, биоциды, эпоксиды, металлоксиды и другие вредные вещества, вызывающие тяжелые заболевания кожи и дыхательных путей, включая астму и рак легких. Кабинетная защита станка с встроенной системой отсоса вредных выделений уменьшает вредное воздействие СОЖ, но не исключает его полностью. Таким образом, актуальным становится разработка новых способов обработки металлов резанием без использования СОЖ, или с использованием минимального объёма СОЖ. При обработке на токарных станках весьма перспективным является твердое точение – способ окончательной обработки материалов высокой твердости, который может являться альтернативой шлифованию. Твердой называют [2] обработку деталей с твердостью выше 47 HRC. Основным технологическим решением для данной обработки всегда было шлифование, поэтому основной задачей твердой обработки стала замена шлифования лезвийной обработкой. Наибольшее распространение получило твердое точение, за ним следует твердое фрезерование, твердое сверление и протягивание. Функционально принцип твердого точения заключается в нагреве материала заготовки в зоне контакта с режущей кромкой. Специально подобранная геометрия инструмента и режимы обработки нагревают материал, что приводит к его отпуску до твердости около 25 HRC. После отделения стружки происходит быстрое охлаждение материала. В результате твердость детали уменьшается не более чем на 2 единицы, а полученная стружка имеет твердость около 45 единиц. Деталь в своей основной массе практически не нагревается. Целью замены шлифования твердой обработкой является улучшение экономичности. Съем материала при твердом точении в три раза меньше, чем при шлифовании.

111

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Стоимость токарного станка также примерно в три раза ниже, чем шлифовального. Точность обработки идентична при твердом точении и шлифовании (иначе замена не имеет смысла). Время обработки при твердом точении значительно (иногда в три раза) ниже, чем при шлифовании. Немаловажную роль играет тот факт, что твердое точение имеет намного более высокую гибкость - возможна обработка сложнопрофильных деталей, в то время как на шлифовальном станке такая обработка требует замены кругов и подналадки станка. Наконец, утилизация стружки проще и дешевле, чем шлифовального шлама. В результате, твердое точение практически всегда на 30 - 50% экономичнее шлифования. Ограничением для повсеместного использования твердого точения является необходимость применения станка, обладающего достаточной жесткостью и виброустойчивостью. Возникающие при твердом точении усилия должны быть адекватно восприняты станком. Инструментальным материалом для твердого точения являются режущая керамика и кубический нитрид бора. Каждый из материалов имеет свои преимущества и недостатки. Керамика существенно дешевле, но плохо воспринимает ударные нагрузки (т.е. ограниченно пригодна для прерывистого резания). Кубический нитрид бора менее восприимчив к ударным нагрузкам, но обладает существенно более высокой ценой. Тем не менее, оба инструментальных материала находят применение при твердой обработке. При обработке резанием на фрезерных станках, особенно на операциях чистового фрезерования, может реализоваться высокоскоростное фрезерование. Высокоскоростное фрезерование [3] (англ. HSC – High Speed Cutting) - специальный термин, обозначающий современную технологию изготовления, которую можно отнести к группе технологических методов изготовления путем обработки резанием резцами с определенной геометрией. По основному принципу он не отличается от обычного фрезерования. В нем также с помощью вращающегося режущего инструмента с несколькими определенными резцами (фрезами) снимается (срезается) материал с заготовки. Однако при высокоскоростном фрезеровании скорости резания и подач в 510 раз выше, чем при обычной обработке. Для такого материал, как сталь, они составляют обычно от 500 до 1500 м/мин., отчасти даже выше. Для наглядности можно привести пример, что фреза диаметром 6 мм имеет скорость вращения примерно 40.000 об./мин. Такая высокая скорость резания комбинируется с высокими скоростями подач. Также и они повышаются по сравнению с обычной обработкой в 5-10 раз и тем самым находятся в диапазоне от 2 до 20 м/мин. Однако есть сферы применения, где не достигают очень высоких скоростей. Тогда говорят о переходной области между высокоскоростным и обычным фрезерованием. Но и здесь можно пожинать плоды от преимуществ, которые дает стратегия высокоскоростной обработки. Теоретическим обоснованием высокоскоростной обработки являются так называемые кривые Соломона [4], которые показывают снижение сил резания в некотором диапазоне скоростей. Но наиболее важным фактором является перераспределение тепла в зоне резания. При небольших сечениях среза, в данном диапазоне скоростей основная масса тепла концентрируется в стружке, не успевая переходить в заготовку. Именно это позволяет вести обработку закаленных сталей не опасаясь отпуска поверхностного слоя. Отсюда основной принцип ВСО – малое сечение среза, снимаемое с высокой скоростью резания, и соответственно высокие обороты шпинделя и высокая минутная подача.

112

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Везде благодаря высокоскоростному фрезерованию достигается по сравнению с обычным фрезерованием очень короткое основное технологическое время [3], которое в соответствии с заданным параметром в 5-10 раз меньше (при прочих равных условиях резания в пределах возможного). Однако в производстве инструментов, где часто требуется производство сложных форм и поверхности свободной формы, применяется другая стратегия. Во избежание дорогостоящей, требующей много времени, ручной работы при фрезеровании уменьшают формат строки. Формат строки – это расстояние между двумя параллельными, расположенными рядом друг с другом траекториями, проведенными центром фрезы. Таким образом можно при одинаковом основном машинном времени избежать ручной работы и тем самым сэкономить расходы. Дальнейшее преимущество получается благодаря обработке в надкритическом для колебаний диапазоне, потому что везде при таких высоких скоростях вращения, которые используются при высокоскоростном фрезеровании, значительно превышаются частоты резонанса детали, инструмента и компонентов станка. Одновременно с этим за счет небольших поперечных сечений среза силы резания могут быть небольшими, что благоприятно сказывается на выдерживании размеров узлов. Кроме того, проблема выделения тепла сведена к минимуму, как уже описывалось в предыдущем разделе. Но высокоскоростное фрезерование приносит с собой и большие недостатки. Из-за необходимости использовать только специальные высокоскоростные инструментальные шпиндели, требующиеся для такой высокой скорости вращения, в настоящее время часто могут применяться лишь инструменты диаметром от 15 до 20 мм. Так иногда обычная обработка резанием говорит сама за себя. Нельзя забывать, конечно, также и общеизвестное ограничение фрезерования узлами с достаточно большим внутренним радиусом и максимально возможным соотношением ширины и глубины контакта, чтобы можно было коротко зажать фрезу. Этот недостаток присущ также и высокоскоростному фрезерованию. Интересный эффект увеличения стойкости инструмента при ВСО наблюдается при сравнении способов охлаждения [4]. Как показывает график (рис. 1), наибольшая стойкость наблюдается при использовании обдува. Так как тепло концентрируется в стружке, ее надо просто быстро удалить из зоны резания. Низкая стойкость инструмента при охлаждении объясняют главным обраРис. 1. Графики зависимости износа инструмента в зом выкрашиванием, зависимости от способа охлаждения зоны резания вследствие циклических термических нагрузок на режущую кромку инстру-

113

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

мента. Постоянная тепловая нагрузка, даже на относительно высоких температурах лучше, чем меняющаяся циклическая нагрузка. При обработке деталей осевым инструментом, например сверлении, может осуществляться резание минимальным использованием СОЖ MMS (Minimal mengen schmierung) [1] . При MMS в зону резания обычно вводится от 5 до 50 см3 смазочного вещества в час (при глубоком сверлении – до 120см3/ч), что во многих случаях обработки позволяет устранить недостатки «сухого» резания и практически обеспечить режимы и параметры обработки с обильным использованием СОЖ, а в ряде случаев – даже превзойти их. Процесс MMS обычно сочетается с высокоскоростным резанием. Возникающая при этом высокая температура приводит к испарению смазочного вещества, так что обрабатываемая деталь, инструмент и стружка остаются сухими. В этом случае СОЖ подаются в виде аэрозоля. Подвод смазочного материала должен осуществляться через вращающийся шпиндель и автоматически сменяемый инструмент, который должен иметь каналы для подвода MMS к режущим кромкам. На современных станках с частотой вращения шпинделя 10000–12000 мин-1 в особенности на высокоскоростных, где эти частоты достигают 20000 – 30000 мин-1 , возникает опасность расслоения аэрозоля под воздействием центробежных сил с оседанием частиц смазки на стенках каналов. Давление воздуха в аэрозоле или его компонентах, подводимых к вращающемуся шпинделю, не превышает обычного давления подводимой СОЖ, в связи с чем для подвода используются такие же устройства. В настоящее время известны два основных способа образования и подвода аэрозоля: а) с образованием смеси «смазочное вещество – воздух» вне вращающего шпинделя; б) с раздельным подводом смазочного вещества и воздуха к шпинделю и образованием аэрозоля в непосредственной близости от инструмента (рис.2). Второй способ применяется на быстроходных шпинделях и обеспечивает подвод аэрозоля к инструменту без расслоения.

MMS имеет хорошие перспективы, если будут осуществлены следующие мероприятия: а) повышение общей стойкости инструментов; б) приспособление конструкций станков к требованиям MMS; в) совершенствование устройств методов смешивания масла и воздуха для их подачи в зону обработки; г) создание способов, эффективного удаления стружки MMS. Благодаря значительным экономическим и экологическим преимуществам перед обработкой с обычным применением СОЖ, MMS займет достойное место в металлообработке. По оценкам многих специалиРис.2. Функциональная схема устройстов [1] в ближайшие годы на MMS ства для образования аэрозоля. будут переведены до 10 % всех станков в машиностроении. MMS имеет хорошие перспективы, если будут осуществлены следующие мероприятия: а) повышение общей стойкости инструментов;

114

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

б) приспособление конструкций станков к требованиям MMS; в) совершенствование устройств методов смешивания масла и воздуха для их подачи в зону обработки; г) создание способов, эффективного удаления стружки MMS. Благодаря значительным экономическим и экологическим преимуществам перед обработкой с обычным применением СОЖ, MMS займет достойное место в металлообработке. Обработка без СОЖ или с ее минимальным использованием постепенно проникает во все отрасли, связанные с обработкой металлов. В первую очередь это относится к стали, алюминию и его сплавам и чугуну. В этой области многими странами, в частности Германией, проводятся широкие исследования и уже накоплен большой практический опыт лезвийной обработки как совершенно без СОЖ, так и с ее минимальным применением, причем во многих случаях реализуется именно первый вариант как наиболее экологически безопасный. Список литературы: 1. Резание с ограниченным использованием смазочноохлаждающей жидкости. Журнал «Инструменты. Технологии. Оборудование» №5 2005 г. 2. Современные технологические тенденции в обработке резанием. Инж. Д.А.Локтев/ http://www.stankoimport.com/presscentre/forum/dloktev.html 3. Высокоскоростное фрезерование (HSC)/ http://www.galika.ru/article_8.htm 4. Высокоскоростная обработка /http://www.delcam-ural.ru/cam/tehpodderjka

ВОДОСТРУЙНАЯ РЕЗКА МАТЕРИАЛОВ Бутенко В.И., Бойко А.С. (каф. механики, ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) В современной металлообработке гидроабразивная обработка конструкционных материалов находит широкое применение вследствие того, что позволяет обрабатывать как твердые, так и пластичные металлы и сплавы значительной толщины. Механика процесса водоструйной обработки конструкционных материалов состоит в том, что при ударе движущихся с большой скоростью жидких капель по поверхности твердого тела возникают силы, способные вызвать его необратимую деформацию и разрушение. При Рис. 1. Стадии деформации капли воды при ударе о по- этом характер и масверхность твердого тела штаб разрушения материала при таком гидродинамическом ударе зависят, главным образом, от размеров, плотности и скорости падения жидкой капли, а также прочностных характеристик обрабатываемого материала. Процесс удара состоит из двух периодов (рис. 1): периода роста давления, продолжающегося до момента возникновения полностью развитого поперечного струйного

115

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

растекания воды (а, б, в), и периода спада давления, во время которого капля расплющивается на поверхности обрабатываемой детали (г). В момент касания капли о поверхность обрабатываемого материала образуется определённая площадь контакта, которая расширяется со скоростью, уменьшающейся с течением времени. При этом давление её на поверхность быстро достигает максимума. В дальнейшем на ранних стадиях процесса удара капли в поверхностном слое обрабатываемого материала возникают волны напряжений. От расширяющейся области контакта последовательно отделяются как продольные и поперечные волны (волны искажений или деформации сдвига), так и поверхностные волны Рэлея, перемещающиеся по материалу преграды (поверхностному слою) от места удара.[1] К настоящему времени известны два основных способа разрушения материала высокоскоростной струей воды: с использованием чистой воды без примесей и с использованием воды при добавлении в неё абразивных частиц (гидроабразивная обработка материалов). Для первого способа использования воды характерен режим хрупкого ударного разрушения, при котором ударяемая частица сильно деформируется (рис.1), оставляя на поверхности материала короткие концентрические трещины (рис.2.)/

Рис. 2. Микрофотографии кольцевых трещин на поверхности твёрдого тела в: а – отраженном свете; б – поляризованном свете Для второго способа при ударе абразивных частиц о поверхность происходит их внедрение в преграду, сопровождаемое интенсивным хрупким разрушением материала (рис.3). В общем случае давление гидравлического удара при водоструйной обработке материалов определяется по формуле [2] 1 Pw  p w C wV0 , (1) 2

116

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

где p w - плотность обрабатываемого материала, кг/м3; С w - скорость звука в жидкости, м/с; V0 - скорость жидкости, подаваемой на обрабатываемую поверхность детали, м/с;  - коэффициент, устанавливающий уменьшение скорости жидкости в сжатой области в результате прохождения ударной волны по капле. Если принять скорость ударной волны по капле равной , это из условия неразрывности давления Pw  Pt на поверхности раздела воды и преграды можно записать: Vw  Vt  V0 , (2) где Vt , Pt - скорость распространения и давление ударной волны по обрабатываемому материалу соответственно. Тогда скорость ударной волны по капле Vw определится по формуле:

Рис. 3. Пластическое проникновение абразивных частиц в поверхность твердого тела: а – пластический отпечаток; б – трещины в зоне контакта (увеличение 200) V0 , p wU w 1 ptU t а давление падающее капли на поверхность твердого тела составит pU V Pw  w w 0 . pU 1 w w ptU t Vw 

В формуле (4) скорость ударной волны по капле Vw при соотношении может быть определена по формуле [2,3]

117

(3)

(4)

V0 3 Сw

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Vt ).

(5) Сw К сожалению, на практике режимы водоструйной (гидроабразивной) обработки конструкционных материалов обычно назначают, исходя из опытных данных без учёта физико-механических свойств материалов. При этом принимаемые режимы по скорости подачи рабочей жидкости, как правило, оказываются на 20-30% ниже расчётных. Это существенно снижает производительность водоструйной обработки конструкционных материалов металлов и не обеспечивает требуемого качества обработки.

Vw  Vt (2C w  0,1

Список литературы: 1. Латыпов P.P., Терегулое Н.Г., Харлое А.И. Некоторые сведения о гидрореза ни и ма тери а лов - Труды Уф и мског о Г АТУ, 1999 . 2. К.Т. Эликбаев «Механика процесса разрушения материалов высокоскоростной струей воды» УДК 621-624, 666. 3. Kirchner H. P., Gruver R. M., in Fracture 1977, D.M.R. Taplin (ed), Univ. Waterloo Press, Canada, 1977, Vol.3. p.959

ВИЗНАЧЕННЯ ТЕМПЕРАТУРИ РІЗАННЯ ПІД ЧАС ПОДАЧІ ОХОЛОДЖУЮЧОГО СЕРЕДОВИЩА В ЗОНУ РІЗАННЯ РОЗПИЛЕННЯМ Зайцева І.Ю., Івченко Т.Г. (кафедра ТМ, ДонДТУ, м. Донецьк, Україна) Одним із найбільш ефективних сучасних шляхів підвищення ефективності механічної обробки за рахунок зниження температури і підвищення стійкості інструмента є застосування мастильно-охолоджуючих технологічних середовищ (МОТС). У зв'язку з цим досить актуальна розробка методів керування тепловими явищами в зоні різання з їх використанням. В наступний час достатньо розвинуті теоретичні методи дослідження теплових процесів в технологічних системах, які дозволяють розраховувати як рівень температур різання [1], так і вплив на неї охолоджуючих технологічних середовищ [2, 3]. Однак, існуючі дослідження присвячені найбільш розповсюдженим способам подачі охолоджуючих середовищ в зону різання лезовими інструментами: вільно падаючим струменем рідини в зону контакту інструмента з оброблюваною деталлю з боку передньої поверхні та струйно-напірним струменем рідини (з тиском до 2 Мпа) з боку задньої поверхні [4]. Найбільш ефективним з погляду використання охолоджуючих технологічних середовищ для твердосплавного інструменту, та інструменту з сучасних надтвердих матеріалів, які особливо чуткі до теплових ударів, є розпилення рідини стисненим повітрям при тиску 0,2 МПа зі швидкістю до 300 м/с як з боку задньої, так і з боку передньої поверхонь. Однак, інформація з цього питання вельми обмежена. Основна мета роботи полягає в комплексному дослідженні взаємозв’язків температури різання з коефіцієнтами тепловіддачі в умовах подачі технологічних охолоджуючих середовищ у розпиленому стані, а також в обґрунтуванні можливостей направленого змінювання температури в заданому діапазоні. Під час подачі охолоджуючої рідини у зону різання в розпиленому стані має місце складний теплообмін поверхні леза інструмента з двофазним повітряно-рідинним середовищем. По-перше, відбувається конвективний теплообмін з розпиленою рідиною, краплі якої при зіткненні з поверхнею тіла нагріваються до температури насичення Н, а потім випаровуються. Для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі нагр, що виникає у

118

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

випадку нагріву краплі під час контакта з поверхнями інструменту в умовах природної конвекції, використовується критеріальне рівняння [1]: Nu o  0,135Gro Pro 0.33 ,

(1)

де Nuо = нагрl/ - критерій Нуссельта ( - коефіцієнт теплопровідності; l - характерний розмір); Prо = / – критерій Прандтля ( - кінематичний коефіцієнт в'язкості середовища; - коефіцієнт температуропроводності); Gro = β(H-O)gl3/ν2 - критерій Грасгофа ( - коефіцієнт об'ємного розширення; g – прискорення вільного падіння; О - температура навколишнього середовища). Коефіцієнти тепловіддачі при нагріві краплі до температури насичення для подачі розпиленого середовища з боку передньої нагр1 і задньої нагр2 поверхонь:

 iaa? 1  44 7,6 I   o 0,33 l10,01 ;  iaa? 2  44 7,6 I   o 0,33 l 20,01 , (2) де l1 - характерний розмір, який для подачі розпиленого середовища з боку передньої поверхні за умов поперечного обтікання тіла визначається як еквівалентний діаметр з обліком розмірів інструменту В і Н: l1 = BH/2(B+H); l2 - характерний розмір, який для подачі розпиленого середовища з боку задньої поверхні за умов подовжнього обтікання тіла приймається як розмір по напрямку його плину l2 = Н. Коефіцієнт тепловіддачі кип при кипінні враховує те, що при різанні на поверхнях леза інструмента в процесі механообробки виникають температури S, значно більші 100С, у зв'язку з чим необхідно враховувати особливості теплообміну при зміні агрегатного стану рідини – кипінні [1]:

 eei  170 S  1001,86 (S 120С);  eei  3,33  10 6  S  1001, 43 (S ≥120С). (3) Середні за часом коефіцієнти тепловіддачі рідини в розпиленому стані в процесі нагрівання і випаруванні краплі:

 ?ici 1 

 iaa? 1 eei c S   H   r   iaa? 2 eei c  S   H   r  ;  ?ici 2  , r iaa? 1  c eei  S   H  r iaa? 2  c eei  S   H 

(4)

де с – масова теплоємність рідини; r – теплота паротворення. По-друге, відбувається вимушений конвективний теплообмін з повітрям, що міститься в двофазному струмені. Для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі в повітря пов використовуються критеріальні рівняння для умов вимушеної конвекції для подачі розпиленого середовища з боку передньої Nuо1 і задньої Nuо2 поверхонь: Nuo1  0,28Re0o1,6 Pro01,36 Pro PrS 0,25 ; Nuo2  0,021Re0o,28 Pro0,43Pro PrS 0,25 ,

(5)

де Nuо1 = повl1/, Nuо2 = повl2/ - критерії Нуссельта; Reо1 = wl1/ , Reо2 = wl2/ - критерії Рейнольдса (w - швидкість потоку).

119

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Коефіцієнти тепловіддачі в повітря для подачі розпиленого середовища з боку передньої пов1 і задньої пов2 поверхонь:

 iia 1  5.0 w0.6 l10,4 ;  iia 2  3.4w 0.8 l 20,2 .

(6)

Приведені коефіцієнти тепловіддачі, які враховують усі процеси теплообміну для подачі розпиленого середовища з боку передньої пр1 і задньої пр2 поверхонь:



  i? 2  1,2 K 2 3 m 2  ?ici 2   iia 2    iia 2 . (8)  i? 1  1,2 K 2 3 m 2  ?ici 1   iia 1   iia 1 . (7)

На підставі розрахованих з використанням метода кінцевих різностей коефіцієнтів зниження температури різання [2], позначеРис. 1. Графіки залежності них на рис.2 а) К1Р та К2Р, виконана матеприведеного коефіцієнта тепловідматична обробка результатів розрахунку (подачі пр від середнього коефіцієнта милка на перевищує 10%) та визначений хатепловіддачі розп та концентрації К рактер и ступень впливу коефіцієнтів тепловіддачі на зниження температури різання під час подачі розпиленого середовища з боку передньої К1Т та задньої К2Т поверхонь леза інструмента: K 1T  0,94  1,07  10 5  i? 1 ; K 2T  1,0  1,5  10 5  i? 2 .

Рис. 2. Графіки залежності коефіцієнта зниження температури різання К від коефіцієнта тепловіддачі пр – а) та від концентрації К - б) для подачі розпиленої рідини

120

(9)

Встановлені кількісні зв’язки коефіцієнту тепловіддачі та температури різання, складають підставу для розробка методів керування тепловими явищами в зоні обробки в умовах конвективного теплообміну. Для прогнозування рівня температури різання в залежності від умов подачі розпиленої рідини в зону обробки на рис.

2 б) наведені залежності коефіцієнта зниження температури різання К від кон-

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

центрації рідини К. Розрахунки виконувались для наступних умовподачі середовища в зону обробки: швидкість w = 200м/с; характерні розміри l1,2 = 20мм; пов = 0.5∙103вт/м2∙С; розп = 4∙104вт/м2∙С. Таким чином, виконані дослідження взаємозв’язків температури різання з коефіцієнтами тепловіддачі та умовами подачі технологічних середовищ, на підставі яких обґрунтовані можливості направленого змінювання температури в заданому діапазоні для подачі охолоджуючих середовищ розпиленням. Перелік літератури: 1. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. - М.: Машиностроение, 1990. - 288с. 2. Івченко Т.Г., Нечепаєв В.Г., Гнитько, О.М. Вплив способу подачі охолоджуючого середовища на температуру різання // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. Вип.16 . – Краматорськ: ДДМА, 2005.- С.34-38. 3. Івченко Теоретичні основи керування температурою різання з використанням охолоджуючих середовищ // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. Вип.18. – Краматорськ: ДДМА, 2006.- С.39-45. 4. Зайцева И.Ю., Ивченко Т.Г. Выбор способа подачи смазочно-охлаждающих технологических сред в зону резания при лезвийной обработке. ИНЖЕНЕР: студенческий научно-технический журнал / Донецк: ДонНТУ, 2011, № 12. - С.108-111.

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ПРИ СВЕРЛЕНИИ ПО КРИТЕРИЮ МАКСИМАЛЬНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ Ильина А. А., Ивченко Т.Г. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Обеспечение максимальной производительности механической обработки деталей машин за счет оптимизации режимов резания – весьма актуальная задача машиностроения. Одним из наиболее распространенных методов оптимизации является метод линейного программирования (МЛП), позволяющий осуществлять одновременную оптимизацию скорости резания и подачи с учетом действующих ограничений по критерию максимальной производительности. В настоящее время достаточно известны методики оптимизации режимов резания при точении [1, 2, 3]. Однако, они не учитывают особенностей сверления и требуют дальнейшего развития, прежде всего в формировании системы ограничений, действующих при обработке. Цель представляемой работы – с использованием метода линейного программирования определить оптимальные режимы резания, обеспечивающие максимальную производительность сверления. Целевая функция - производительность обработки, максимум которой достигается при минимуме основного времени, или максимуме произведения частоты n вращения и подачи s:ns max. При сверлении рассматриваются следующие ограничения: 1) по режущим возможностям инструмента

Dn 1000  CV KV D q v T mv s y v ,

121

(1)

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

где D - диаметр сверла; CV, KV, mV, qV, yV – коэффициенты и показатели, характеризующие влияние стойкости T, диаметра и подачи на скорость резания; 2) по допустимой температуре резания Θдоп

Nt s y t v ot   aii ,

(2)

где Сt, yt, xt – коэффициент и показатели степени, характеризующие влияние скорости резания и подачи на температуру резания; 3) по мощности станка 975 103 N n  C M K M D qM s yM ,

(3)

где СM, КМ, qM, yM – коэффициенты и показатели степеней, характеризующие влияние диаметра сверла и подачи на крутящий момент при сверлении; N - мощность электродвигателя; ŋ - коэффициент полезного действия; 4) по прочности механизма подач станка Рст Pcm  C P K P D

qp y p

s

,

(4)

где СР, КР, qР, yР – коэффициенты и показатели степеней, характеризующие влияние диаметра сверла и подачи на осевую силу при сверлении; 5) по прочности режущего инструмента

 K S  1.73CM K M D qM s yM W ,

(5)

где σ – временное сопротивление материала сверла на разрыв; КS.≈ 1.5…2.0– коэффициент запаса прочности; W=0.02D3 – момент сопротивления сверла.

6) по жесткости режущего инструмента K I EI L2  C P K P s

yp

D

qp

,

(6)

где КI ≈ 2.46 – коэффициент устойчивости; Е – модуль упругости материала сверла; I = 0.039D4 – момент инерции сверла; L. - длина вылета сверла$ 7) по кинематическим возможностям станка nmin  n  nmax , smin  s  smax . В результате линеаризации целевой функции и ограничений получена математическая модель процесса сверления:

122

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ





b1  ln 318D ( qv 1) CV KV T mv ;

 X 1  yV X 2  b1 , x X 1  y X 2  b t 2  t  X 1  y M X 2  b3 ,   y P X 2  b4 ,   y P X 2  b5 y X 2  b , 6  P  X 1  b7 , X 1  b8 ,   X 2  b9 , X 2  b10 ,  X 1  X 2  max,



b2  ln 1000xt  aii



Nt D  xt





b3  ln 975  103 N C M K M D q M ; q b4  ln PX CP D p E P  ;   3  q ( b5  ln 0.012 D M  C M K M ;





b6  ln K y EI L.2 C p D q P K p

;

(8)



b7 = ln smin; b8 = ln smax; b9 = ln nmin; b10 = ln nmax

Пример определения оптимальных режимов резания (рис.1) приведен для сверления глухого отверстия диаметром D = 10 мм, длиной L = 20 мм в стали 45 (прочность σв = 750Мпа). Обработка осуществляется спиральным сверлом из стали Р6М5 (геометрические параметры: 2φ= 120, обратная конусность 0.1…0.15 мм на 100 мм длины, стойкость Т = 30мин., износ по задней поверхности h = 0.4…0.5 мм) на вертикальносверлильном станке 2Н125 (мощность Nст = 2,2квт; коэффициент полезного действия  = 0,8). Для заданных условий механообработки приняты следующие коэффициенты и показатели, характеризующие степень влияния подачи и стойкости на скорость резания [4]: CV =7; qv = 0.4; yv = 0.7; m = 0.2; Коэффициенты и показатели, характеризующие степень влияния подачи и скорости на силу резания [4]: CР = Рис.1. Схема определения оптималь- 68; qр = 1; yр = 0.7; Kр = 1; CM= 0,034; qM = 2; yM = 0.8. ных режимов резания при сверлении стали С их учетом определены следующие значения параметров bі: b1 = 2,848; b2 = 5,647; b3 = 7,436; b4 = 0,386; b5 = -1,056; b6 = 0,046; b7 = -2,996; b8 = 0,806; b9 = 3,332; b10 = 7,09. Многоугольник АВСDЕ (рис. 1) представляет собой область возможных решений. Целевая функция принимает максимальное значение в точке D, для которой сумма расстояний до осей (X1+X2) максимальна. Координаты точки D(X1о, X2о) являются искомыми оптимальными значениями параметров, на основании которых определяются оптимальные режимы резания: скорость резания Vо= 25,6м/мин, подача Sо = 0,22мм/об. С учетом различных ограничений разработана методика аналитического определения оптимальных режимов резания подачи Sо и скорости резания Vо в зависимости от параметров механической обработки для различных условий сверления:

123

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

1y  3 qm  p  0,012D  , anee L D  K Lo ; 1   C M K M K S     C K S   t t o xt , anee D  Do ;  Vi   Si   1y C K D qv T m S yv , anee D  D ,  0,039 K ED 2 q p  p o o  V V   I  , anee L D  K Lo , .   2  K LCP K P  

где KLo - граничное значение отношения длины сверла к диаметру, для которого необходимо учитывать ограничение по жесткости; Do - граничное значение диаметра сверла, для которого необходимо учитывать ограничение по температуре резания: 1

K Lo   3.25C m K S K y E D 

1 q p  qm

  

0.5

m  ; Do   T  CV K V 

 qv  C t K t      

1 yv z t  yt  zt qv S o  zt qv  

Таким образом, разработана методика оптимизации режимов резания при сверлении по критерию максимальной производительности обработки. Полученные аналитические зависимости позволяют установить закономерности изменения оптимальных значений подачи и скорости резания от параметров процесса сверления, а также рассчитывать оптимальные режимов резания при сверлении в любых условиях обработки. Список литературы: 1. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. - М.: Машиностроение. 1989.

- 296с. 2. Оптимизация и управление процессом резания: / О.С. Кроль, Г.Л. Хмеловский. – К.: УМК ВО, 1991. – 140с. 3. Івченко Т.Г., Полякова Є.В. Двохкритеріальна оптимізація режимів різання під час обробки чавунів інструментами з надтвердих матеріалів // Прогрессивные технологии и системы машиностроения:– Донецк: ДонНТУ, 2011. Вып. 41. – С.152-158. 4. Справочник технолога машиностроителя. В 2-х т. Т.2 /Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. – М.:Машиностроение, 1985. – 496 с.

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ НА ОСНОВЕ МУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ СВЕРТКИ КРИТЕРИЕВ Король К. О., Ивченко Т.Г. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Современные тенденции в оптимизации режимов резания направлены на решение многокритериальных задач, обеспечивающих одновременное улучшение параметров обработки по различным критериям [1, 2]. Одним из направлений многокритериальной оптимизации является использование мультипликативной свертки критериев, позволяющих различные критерии оптимизации привести к единому критерию, обеспечивающему наилучшее сочетание каждого из них. Для практического использования представляет интерес возможность выполнения аналитических расчетов оптимальных режимов резания, что достаточно просто обеспечивается методом геометрического программирования. Методика оптимизация режимов резания с использованием МГП, представленная в работе [3], дает аналитическое решение для определения оптимальных режимов резания при точении по критерию минимальной себестоимости. Представляет интерес дальнейшее развитие МГП

124

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

применительно к задачам многокритериальной оптимизации с применением мультипликативных критериев. Цель представляемой работы – с использованием МГП разработать методику определения оптимальных режимов резания по мультипликативному критерию, обеспечивающему наилучшее сочетание критериев максимальной производительности и минимальной себестоимости обработки точением. В представляемой работе в качестве критерия оптимизации принимается переменная часть себестоимости обработки детали режущим инструментом, зависящая от режимов резания, отнесенная к производительности обработки, выраженной площадью обработанной поверхности: N   Ato  Atnt o / T nS ,

(1)

где А - себестоимость станко - минуты, to- основное время обработки; tc - время смены инструмента; T - стойкость инструмента, S – подача; n – частота вращения детали. При решении задачи двухпараметрической оптимизации, то есть определения оптимальных значений скорости резания и подачи с заданной глубиной резания в условиях однопроходной обработки, целевая функция, с учетом известных соотношений основного времени обработки и стойкости инструмента с режимами, имеет вид:

C  V 2 S 2  MV kV 1S k S 1 ,

(2)

где M  tc  Au At x m CT ; k V  1 m  1 ; k S  y m  1 ; А - себестоимость станко - минуты, Аи – стоимость одного периода стойкости инструмента; tc - время смены инструмента; CТ – коэффициент и x, y, m – показатели, характеризующие степень влияния глубины t, подачи S и стойкости T на скорость V. Для чернового точения наиболее распространенным является ограничение по прочности пластины режущего инструмента: C1 S

yp

 1,

x

(3)

0.77



0.8

где коэффициент для точения C1  C P K P t p 34n1.35t sin 60 sin  ; с – толщина пластины φ- главный угол в плане; CР, KР - коэффициенты и xр, yр – показатели, характеризующие степень влияния глубины и подачи на силу резания Рz, определяемые в зависимости от условий обработки. Для чернового и чистового растачивания в связи с возможным значительным вылетом державки расточного инструмента необходимо учитывать ограничение по жесткости режущего инструмента:

125

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

C2 S

yp

 1,

(4)

x

3 4 где коэффициент для растачивания C2  4C p K p t p l f p Ed ; l - вылет державки резца; d – диаметр оправки (размер державки резца); Е - модуль упругости материала державки резца; fp - допустимая стрела прогиба резца: для черновой обработки fp = 0,1мм; для чистовой - fp = 0,05...0,03 мм. Для чистового точения и растачивания необходимо учитывать ограничение по предельно допустимой шероховатости обработанной поверхности Ra:

C3 S k1V k3  1 ,

(5)

где коэффициент для чистового точения и растачивания C3  k o r k 2 Ra ; k0, k1, k2, k3 – коэффициент и показатели, характеризующие степень влияния подачи S, радиуса при вершине r, скорости V на шероховатость обработанной поверхности Ra: k0, k1, k2, k3 – коэффициент и показатели, характеризующие степень влияния подачи S, радиуса при вершине r, скорости V на шероховатость обработанной поверхности Ra: Математическая модель задачи оптимизации скорости резания и подачи при точении представляется следующим образом: 1) прямая задача МГП - минимизировать g (V , S )  V 2 S 2  MV kV 1S k S 1

(6)

при ограничениях V > 0, S > 0, М > 0; 2) двойственная задача МГП - максимизировать W11

V W   1 W01  W01 M W02  W02 Ci

(7)

при ограничениях по прочности пластины и жесткости режущего инструмента W01  W02  1;  2W01  kV  1W02  0;

(8)

 2W01  k S  1W02  y pW11  0.

по предельно допустимой шероховатости обработанной поверхности W01  W02  1;  2W01  kV  1W02  k3W11  0;  2W01  k S  1W02  k1W11  0.

126

(9)

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Согласно МГП на первом этапе оптимизации скорости резания и подачи решается система линейных уравнений для определения коэффициентов весомостей W01, W01, W11. Для черновой обработки: W01  1  2m ; W02  2m ; W11 

1  2myv  2m  yv .

(10)

my p

Для чистовой обработки:

W01  W02 

k S  1k3  kV  1k1 ; k S  1k3  kV  1k1  k3  k1

W01kV  kV  1V k3  k1 ; W11  . (11) k S  1k3  kV  1k1  k3  k1 k3

Для сравнения представлены результаты расчетов этих коэффициентов для критерия минимальной себестоимости [3]: 1  yv W01  1  m ; W02  m ; W11  . yp

W01 

k S k3  kV k1 k3  k1 W 1  kV   kV ; W02  ; W11  01 . k S k 3  kV k1  k3  k1 k S k 3  kV k1  k 3  k1 k3

На основании найденного экстремума целевой функции V(W) составляется система линейных уравнений для определения оптимальных режимов резания: V W W01  V  2 S  2 ; (12)  V W W02  MV kV 1 S k S 1. В результате решения этой системы и подставки рассчитанных значений коэффициентов весомостей W01, W01, W11 (6), определяются оптимальные подача SО и скорость резания VО: 1 y p

S o  C11

 2m ; Vo    1  2m M m

Рис. 1. Зависимость коэффициента изменения себестоимости обработки от степени отклонения режимов резания от оптимальных k

m

  yv  S o ;  yv

  2m y  C11 p . (13) Vo1    1  2m M  Для сравнения представлены результаты расчетов оптимальных подачи SО1 и скорости резания VО1 для критерия минимальной себестоимости [3]: 1 y p

S o1  C11

127

 m ; Vo1    1  m M

m

  yv  S o ; 

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

m

yv yp

  m  C11 .

Vo1    1  m M  Примеры определения оптимальных скорости резания V и подачи S, обеспечивающих минимальное соотношение себестоимости и производительности, приведены для чернового растачивания основного отверстия корпуса диаметром D=100мм, длиной L = 250мм из серого чугуна СЧ20 (НВ 190). Условия чернового растачивания: резцы ВК8 (передний угол  = 0; главный угол резца в плане φ =45); глубина резания t = 4мм; толщина пластины с = 4,76мм; стоимость станкоминуты А = 5коп/мин; стоимость 1 периода стойкости инструмента Аи = 15 коп/период; время смены инструмента tc = 1мин. Для заданных условий обработки коэффициенты весомости: W01 = 0,6; W02 = 0,4;

W11 = 2,13; оптимальные режимы резания Vо = 100м/мин; Sо = 0,62мм/об. Для сравнения представлены результаты расчетов оптимальных подачи SО1 и скорости резания VО1 для критерия минимальной себестоимости [4]: коэффициенты весомости: W01 = 0,8; W02 = 0,2; W11 = 1,07; оптимальные режимы резания Vо = 83м/мин; Sо = 0,62мм/об. Коэффициент изменения себестоимости обработки при отклонении выбранных режимов резания от их оптимального значения S = kSo, V = kVo. (k – степень отклонения) [3], представленный на рис. 1, свидетельствует о том, что минимальная себестоимость обработки имеет место при k = 1, то есть при оптимальных по себестоимости режимах резания (кривая КС1). При отклонении режимов резания, как в меньшую, так и в большую сторону от оптимальных, себестоимость увеличивается. Рассмотренный мультипликативный критерий (кривая КС2), также как и критерий себестоимости, имеет экстремум – минимум (кривая КС2), однако для этого критерия оптимальные режимы резания, а также себестоимость и производительность обработки выше (в 1,1 раза).

K C  W01k

1 y v  y p W11

 W02 k





 k V 1  y v  y p W11  k S  k V

 K1  K 2 .

(14)

Таким образом, представленная методика позволяет для любых условий точения выполнять расчеты оптимальных режимов резания по мультипликативному критерию, обеспечивающему наилучшее сочетание критериев максимальной производительности и минимальной себестоимости обработки себестоимость обработки. Разработанная методика определения оптимальных режимов резания может быть использована для любых видов обработки. Список литературы: 1. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. - М.: Машиностроение. 1989.

- 296с. 2. Оптимизация и управление процессом резания: / О.С. Кроль, Г.Л. Хмеловский. – К.: УМК ВО, 1991. – 140с. 3. Ивченко Т. Г. Использование метода геометрического программирования для расчета оптимальных режимов резания при точении / Т.Г.Ивченко Научный вестник ДГМА. – Краматорск: ДГМА, 2011. – №2 (8 Е). С.110116.

128

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ВИБРАЦИИ ПРИ ТОЧЕНИИ Пашинин А.В., Чернышев Е.А. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) На современном этапе развития машиностроения все более актуальным является разработка виброустойчивых конструкций станков и станочных приспособлений для обеспечения благоприятных условий работы и точности обработки. Поэтому важной научно-технической задачей является исследование условий их возникновения при точении и закономерностей протекания. Этому вопросу посвящены многие фундаментальные труды таких ученых, как Каширин А.И. [1], Жарков И.Г. [2], Амосов И.С., Манжос Г.А. [3], Соколовский А.П. [3, 4], Ильницкий И.И., Кудинов В.А., Подураев В.Н., Бармин Б.П. [5] и др. Первые работы, посвященные изучению причин возникновения колебаний при резании, относятся к началу XX века (исследования Тейлора, Николсона, Сидзоу Дои, Кюнсле и Кетнера). Одно из первых объяснений причины возникновения вибраций заключалось в том, что при резании скалывание каждого последующего элемента стружки вызывает ритмические колебания. Такое толкование основано на опытах Николсона (обтачивание на малой скорости цилиндрической заготовки). Причем Тейлор [1] говорит о том, что колебания возникают при совпадении частоты скалывания элементов стружки с собственной частотой колебаний обрабатываемой заготовки или резца. В более поздних работах обоснована неправомерность такого объяснения. В частности, в работе [1] указано, что при очень малых скоростях обработки даже пластичные материалы дают элементную стружку. Поэтому результаты подобных опытов не могут быть перенесены на обработку с практически применяющимися скоростями резания. Тем более практика показывает, что к вибрациям более склонны пластичные металлы, дающие сливную стружку. Поэтому к 40-м годам XX века формируется мнение о том, что вибрации при резании являются автоколебаниями [1-5]. Согласно работе [1], автоколебаниями являются вибрации, поддерживаемые внутренними силами, возникающими в самом процессе колебания. Примером автоколебательной системы может быть маятник, подвешенный на вращающемся валу. При отсутствии внешней периодической силы он будет совершать незатухающие вибрации. Т.е. в автоколебательной системе соблюдается равенство энергий: сколько энергии за один период колебаний расходуется, столько и поглощается. Каширин А.И. [1] провел аналогию между трением стружки о переднюю поверхность резца и детали о его заднюю поверхность с вышерассмотренной колебательной системой, где вибрации поддерживаются переменной силой, возникающей в связи с падающей характеристикой силы трения. Он назвал этот эффект первичным возмущением автоколебаний. Также причинами появления и поддержания этих вибраций он считает точение по следу и переменные силы, возникающие при резании от изменения углов резца, происходящего в связи с колебательным движением. Однако опыты Рыжкова Д.И. [6] показали, что вибрации возникают как на интервале падающей характеристики силы резания, так и на интервале возрастающей, что корректирует выводы Каширина А.И. Иную точку зрения на причину возникновения автоколебаний при резании выдвинул Соколовский А.П. [3, 4]. Он вывел зависимость между радиальной составляющей силы резания Py и относительными колебаниями инструмента и заготовки, физический смысл которой заключается в следующем: резец врезается в материал с меньшей силой, чем выходит их него. Он объяснил это тем, что инструмент врезается в не-

129

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

упрочненный материал, а выходит по упрочненному. Этим и объясняется появление переменной силы, поддерживающей колебания. Однако в работе [6] подобная точка зрения подвержена сомнению: «…чугун и красная медь практически не упрочняются, однако вибрации при обработке этих металлов могут легко возникать». Амосов И.С. [3] опытным путем определил, что заготовка при автоколебаниях колеблется с большей амплитудой, чем резец. При этом их движения происходят по замкнутой кривой и смещены по фазе (рис. 1). Бармин Б.П. [5] разделил вибрации при резании на две группы: вызванные причинами, связанными с резанием, и вызванные причинами, не связанными с резанием. Он назвал вибрации при точении автоколебаниями, и определил зависимости параметров вибраций при точении и растачивании от режимов резания. По его мнению, рациональной схемой нагружения суппорта, т.е. таковой, при которой жесткость данного узла максимальна, является приведенная на рис. 2. Бармин Б.П. разработал рекомендации по гашению автоколебаний при точении, в частности применение виброгасителей различных типов, изменение конструкции узлов станка и т.п. Некоторые авторы как одну из причин Рис. 1. Траектории движения резца и заготовки при точении с возбуждения вибраций называют резание по следу, т.е. обработку по неровностям, оставшимся колебаниями [3] от предыдущих проходов или операций. В случае с точением это может быть резание по следу от предыдущего оборота (например, для прорезания). Каширин А.И. [1] определяет точение по следу как вторичное возмущение вибраций. Во многих работах отдельное внимание уделяется путям демпфирования и разработке конструкций виброгасителей. Большое внимание гашению колебаний уделяется в работе Рыжкова Д.И. [24]. Он провел серию экспериментов по изучению автоколебаний при продольном точении. Не прибегая к теоретическим исследованиям, он эмпирически выявил закономерности протекания колебаний в зоне резания (как линейных, так и крутильных), в частности, влияние углов инструмента, режимов резания, трения и дополнительного трения на интенсивность вибраций. Разработал рекомендации по устранению Рис. 2. Схема рационального нагруколебаний системы деталь-суппорт за счет жения суппорта выбора оптимальной геометрии, путем применения второго диаметрально проти-

130

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

воположного инструмента, изменения режимов резания, массы детали и жесткости системы СПИД, а также с помощью виброгасителей различных видов. Современные представления о вибрациях при резании практически не отличаются от сформированных в середине XX века. Большинство работ за последние 40 лет посвящены изучению динамики станков и разработке оптимальных противовибрационных конструкций отдельных узлов. Рыжов Э.В., Панов Н.Н. и Смирнов А.А. [26] исследовали вопросы жесткости расточных и токарных станков при растачивании. Изучили влияние жесткости на вибрации при вышеуказанном виде обработки. Согласно экспериментальным данным Панова Н.Н., при уменьшении жесткости расточных скалок от l/d=5 до l/d=7 автоколебания переходят от гармонических к релаксационным. Поэтому при отношении длины к диаметру скалок до 5 (включительно) частота возникающих вибраций не зависит от скости резания, а при отношении 7 и более проявляется устойчивая зависимость. Математически возможность такого перехода была показана Ван-дер-Полем. Панов Н.Н. вывел безразмерную величину  , зависящую от параметров резания, значение которой определяет вид автоколебаний: 1  aB     hc  , V  mk  r 

где a - положительный коэффициент, B - ширина резания, V - скорость резания, hc коэффициент линейного сопротивления, m - масса системы, k - жесткость системы, r - коэффициент частоты вибраций. Из вышесказанного Панов Н.Н. сделал следующие выводы: «Для случая вибраций при резании переход к релаксационным автоколебаниям возможен за счет увеличения ширины резания, уменьшения скорости резания, уменьшения сопротивления в системе, уменьшения массы, уменьшения жесткости и т.д.» Несмотря на то, что изучению вибраций при резании посвящено достаточно большое количество работ, нет однозначного ответа на такие вопросы, как какова причина возникновения автоколебаний при резании, или почему частота возникающих при точении вибраций близка к собственной частоте резца или заготовки. На современном этапе все более актуальным становится рассмотрение процесса резания со стороны пластических деформаций. В этом направлении особого внимания заслуживают работы Воронцова А.Л., которые, опираясь на новую теорию резания, находящуюся в соответствии с механикой деформируемого твердого тела, возможно, способны дать новый толчок исследованию причин и закономерностей такого сложного физического процесса, как автоколебания при резании. Список литературы: 1. Каширин А. И. Исследование вибраций при резании металла / А. И. Каширин. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1944. – 133 с. 2. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. – Л.: Машиностроение. Ленинградское отд-ние, 1986. – 184 с.: ил. 3. Точность механической обработки и пути ее повышения/под ред. А.П. Соколовского. – Москва (Ленинград): Машгиз, 1951. – 487 с. 4. Соколовский А.П. Жесткость в технологии машиностроения. – М.-Л.: Машгиз, 1946. – 206 с.

5. Бармин Б.П. Вибрации и режимы резания/Б.П. Бармин. – М.: Машиностроение, 1972.

– 71 с. 6. Рыжков Д.И. Вибрации при резании металлов и методы их устранения. – М., Машгиз, 1961. – 172 с. 7. Жесткость, точность и вибрации при механической обработке/под ред. В.А. Скаргана. – М.-Л., Машгиз, 1956. – 194 с.

131

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

ОБОСНОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО УРОВНЯ ИЗНОСА РЕЗЦОВОГО ИНСТРУМЕНТА ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА КПД Шабаев О.Е., Тыртычный С.В. (кафедра ГМ, ДонНТУ, Донецк, Украина) Основой топливно-энергетического комплекса Украины является каменный уголь, разведанные запасы которого оцениваются в 110 млрд. т. Современная тенденция добычи угля на Украине, а также в других технологически развитых угледобывающих странах характеризуется всевозрастающей интенсификацией нагрузки на лаву. Отечественные механизированные очистные комплексы нового технического уровня обеспечивают возможность роста нагрузки на лаву до 2-х и более тысяч тонн в сутки. Одним из факторов, наиболее сдерживающих рост нагрузки на современные добычные комплексы, является отставание в подготовке нового фронта очистных работ. Эта задача реально выполнима при проходке горных выработок с темпами 400-600 м/месяц. Такие темпы проходки может обеспечить только комбайновая технология проведения выработок, которая наиболее полно отвечает требованиям экономической эффективности горно-подготовительных работ. В настоящее время все более широкое применение на шахтах Украины и за рубежом получают проходческие комбайны со стреловидным исполнительным органом, оснащенные коронками различной конфигурации. Прилагаемые в последнее время усилия, направленные на интенсификацию прохождения горных выработок, а также дальнейшее расширение области применения проходческих комбайнов избирательного действия на забои с повышенными показателями абразивности и прочности горных пород, обусловливают существенное возрастание нагруженности исполнительного органа, а в частности его режущего инструмента. Из практики проходки известно, что выход из строя рабочего инструмента в среднем составляет 7-10 резцов в сутки. Кроме того, работа с затупленным инструментом ведет к повышенной загруженностью силовых систем комбайна и привода исполнительного органа, что является сдерживающим фактором для дальнейшей интенсификации темпов прохождения горных выработок. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что существует потребность отслеживать граничное состояние режущего инструмента, для рационального использования ресурса машины, и для обеспечения заданной производительности. Вопросом обоснования критериев износа резцов посвящены труды многих ученых. Так авторы статьи [1]. представили зависимости мгновенной площадки контакта (площадки затупления) резца с разрушаемым массивом от износа резца по длине при различных значениях толщины стружки. Влияние износа резцов на силы резания подробно изучалось в работе [2]. В работе [3] представлены результаты которые не противоречат предположению о том, что переизношенные резцы находятся в состоянии предельного затупления, при которых не происходит существенного возрастания нагрузок. В месте с тем в этих и других известных нам работах не исследовалось влияния степени затупления резцов на формирования нагрузок на исполнительном органе проходческого комбайна и также обоснования допустимой величины износа для обеспечения технико-экономических показателей оговоренных техническим заданием на конкретную машину.

132

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Таким образом, целью работы является определение предельной степени затупления рабочего инструмента, обеспечивающий требуемую по техническому условию теоретическую производительность. Для оценки влияние нагрузки на исполнительном органе проходческого комбайна в зависимости от степени затупления рабочего инструмента использовалась математическая модель вектора внешнего возмущения на аксиальную коронку проходческого комбайна [4]:  FX  PX  n ni ni x x n i  P Y ni  n yx n i  P Z n i  n zx ni ;     F Y n i   P X n i  n xy  P Y ni  n yy  P Z ni  n zy ; ni ni ni  F Z   P X  n  P Y  n  P Z  n   ni ni xz n i ni yz ni ni zz n i ;   M n i  P Z n i  ri ; M  M ; FX n   F X n i ; FY n   FY n i ; FZ n   F Z n i ;  n  ni i i i i   n  1, N n    Fxn  FX n ; Fyn  F Y n ; Fzn  F Z n ; M n  M n ;   e  1, N c  1    e  e  N / N n c   1  n  1, e  1     j  N n  e1  n    Fx n  Fxn  F X j ; Fyn  Fyn  F Y j ; Fzn  Fzn  F Z j ; M n  M n  M j ;    n  e 1  1, N n     Fx n  Fxn  F X n  e 1 ; Fyn  Fyn  F Y n  e 1 ; Fzn  Fzn  FZ n  e 1 ;     M n  M n  M n  e 1 ;   M   I n / N n ; Fx   Fx n / N n ; Fy   Fyn / N n ; Fz   Fzn / N n ;  n n n n  m ax( F ) m ax( Fzn ) yn  kI  m ax( I e n ) ; kF  m ax( Fxn ) ; kF  ; kFz  ; x y  I e Fx Fy Fz   Q  Vp  h ni  t ni  i

Исходными данными определения вектора внешнего возмущения, формируемого на аксиальной коронке при разрушении массива, является: вектор параметров разрушения массива резцами лопасти коронки Y

p

ni

 { h ni , t ni ,  

y ni

,   x ni , n x ni , n

y ni

, n z ni , i  1, N i , n  1 , N n },

вектор составляющих усилий резания на резцах лопасти ; при числе лопастей на коронке Nз .

P p ni  { PX ni , PY ni , PZ ni , i  1, N i , n  1, N n } При известной величине m (номера прослойка разрушаемого резцом) значения составляющих усилий резания на резцах определяются по зависимостям: PX ni  fxm (Y p ni ); PY ni  fym (Y p ni ); PZ ni  fzm (Y p ni ) ,

133

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

где: PX ni , PY ni , PZ ni - соответственно боковое усилие, сила подачи и сила резания на i-том резце лопасти при n-том положении коронки по углу ее поворота; FX ni , FYni , FZ ni - составляющие усилий разрушения массива P p ni , формируемых на резцах лопасти, в системе координат коронки при ее n-ом положении по углу поворота; (n xx , n xy , n xz ), (n yx , n yy , n yz ), (n zx , n zy , n zz ) - составляющие единичных векторов, соответственно, n x , n y и n z ; M n , FX n , FYn , FZ n - вектор внешнего возмущения, действующий на коронку (при ее n-ом положении по углу поворота) от усилий разрушения массива резцами лопасти, компонентами которого являются момент сопротивления и составляющая главного вектора внешних сил с системе координат коронки; M n , Fxn , Fyn , Fzn - вектор внешнего возмущения от разрушаемого массива, действующий на коронку в n-том положении; M , Fx , Fy , Fz - средняя величина составляющих вектора внешнего возмущения, действующего на коронку от разрушаемого массива за один ее оборот; kM , kFx , kFy , kFz - коэффициенты неравномерности составляющих вектора внешнего возмущения, действующего на коронку; V p - скорость подачи исполнительного органа на забой; h - толщина среза единичным резцом; t - ширина среза единичном резni ni цом. Модель позволяет определить параметры вектора внешнего возмущения в зависимости от усилия формирующемся на единичном резце и теоретическую производительность комбайна. В качестве объекта исследования был принят наиболее яркий представитель проходческих комбайнов избирательного действия комбайн КПД, рабочим инструментом которого является резец Р32-70. Для определения сил на единичном резце типа Р32-70 были использованы зави-

а) б) Рис.1. Зависимость усилий на резцах от площадки затупления на резце (а – зависимость полученная экспериментально, б – по формуле ОСТ

134

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

симости ОСТа [5] и экспериментально полученная зависимость описанные в работе [2]. Влияние площадки затупления на усилие на единичном резце представлено на рис.1. Эти зависимости учитывали влияние величины износа рабочего инструмента (площадку затупления) на составляющие нагрузки. Проанализировав графики зависимости площадки затупления на силы формируемые на единичном резце, изображенных на рис. 1, можно сделать вывод, что силы резания и подачи возрастают по линейной зависимости при увеличении площадки затупления резца. Увеличение площадки затупления до 40 мм 2 приводит к росту усилий резания и боковых усилий в 10-10,5 раз по формуле эксперимента и в 6-7 раз по формуле ОСТа для крепости породы  сж  100 МПа . Теоретическая производительность проходческого комбайна является функцией следующих параметров: глубина зарубки В , шага фрезерования Н и скорость подачи Vp . Согласно разработанному плану вычислительных экспериментов значения максимальных производительностей комбайна для различных крепостей разрушаемого материала определялось путем варьирования параметров глубины зарубки В , шага фрезерования Н и скорости подачи Vp Q ( B, H ,Vp )  max с учетом затуплености рабочего инструмента и принятых ограничений: -по устойчивому моменту приводного электродвигателя M  Mу ; -по предельному давлению в гидроцилиндрах поворота исполнительного органа Р  Рпк . Где Му – устойчивый момент приводного электродвигателя привода исполнительного органа; Рпк – давление настройки предохранительного клапана гидроцилиндров поворота исполнительного органа комбайна. Результаты моделирования для крепости породы  сж  100 МПа исполнительным органом проходческого комбайна КПД оснащенным резцами Р32-70 представлены на рис.2 и рис.3.

Рис.2. График зависимости максимальной производительности проходческого комбайна КПД от площадки затупления на резцах (ОСТ)

135

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Рис. 3. График зависимости максимальной производительности проходческого комбайна КПД от площадки затупления на резцах (формула эксперимента) Вместе с тем в техническом условии на комбайн КПД даны значения требуемых теоретических производительностей в зависимости от крепости разрушаемого материала представлены в таблице 1. и показаны на рис.2 и рис.3 горизонтальными линиями. Таблица 1: Требования к производительности проходческого комбайна КПД Значение проКрепость разрушаемых пород изводительности м 3 / мин 0,3   100 МПа - по породе сж 0,35 - по породе  сж  80 МПа 1 -по породе  сж  60МПа Анализ полученных результатов (рис.2 и рис.3) показывает, что для обеспечения оговоренной в техническом условии теоретической (минутной) производительности проходческого комбайна КПД, оснащенного резцами типа Р32-70, предельным уровнем износа режущего инструмента является значение площадки затупление порядка 2535 мм 2 . При этом большее значение необходимо принимать для разрушения горного массива с менее крепкими породами. Таким образом, для оценки предельного уровня износа резцового инструмента проходческого комбайна в общем случае необходимо учитывать следующие параметры: форму и тип исполнительного органа проходческого комбайна, крепость разрушаемых пород; тип режущего инструмента, техническое условие на комбайн. Направлением дальнейших исследований является обоснование критериев для диагностики степени износа режущего инструмента и определение времени его замены на основе мехатронной концепции создания проходческих комбайнов.

136

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ

Список литературы: 1. Разрушение углей и горных пород: Науч.сообщ./Ин-т горн.дела им. А.А. Скачинского.- М.,1988.-80с. 2. Костенко А,П. Установление рациональных режимов разрушения сильвинитовых пластов барабанными очистными комбайнами Дис. канд. техн. наук.-Донецк, 1992.-193с. 3. Разрушение углей и горных пород: Науч.сообщ./Ин-т горн.дела им. А.А. Скачинского.- М.,1988.-80с. 4. Математическая модель формирования вектора внешнего возмущения на аксиальной коронке мехатронного проходческого комбайна / А.К. Семенченко, О.Е. Шабаев, Н.В. Хиценко, Е.Ю. Степаненко // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту. Вип. 18(172), серія гірничо-електромеханічна. – Донецьк: ДонНТУ, 2010. – с. 3-12. 5. ОСТ 12.44.197-81. Комбайны проходческие со стреловидным исполнительным органом. Расчет эксплуатационной нагруженности трансмиссии исполнительного органа. Введен с 01.07.1982. –М.: Минуглепром СССР, 1981. – 48 с.

137

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ БАЛАНСИРОВКИ РОТОРОВ Бутенко В.И., Костюков А.В. (кафедра механики ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) Одной из особенностей современного научно-технического прогресса является систематическое увеличение скоростей вращения роторов машин, приводов и механизмов. В связи с этим актуальным становится вопрос об организации и проведении балансировки роторного оборудования, так как вибрации, возникающие при работе машин и механизмов, создают дополнительные нагрузки на детали, увеличивают их износ, снижают срок службы изделий, оказывают неблагоприятное физиологическое воздействие на организм человека. Поэтому в процессе эксплуатации машин и механизмов с вращающимися деталями необходимо постоянно осуществлять контроль и настройку балансировочных частей. Выполнение балансировки и уравновешивания роторов обычно проводится путём применения метода одновременного измерения амплитуд и фаз. При этом решение задачи уравновешивания ротора осуществляется аналитическим или графическим методами [1], которые позволяют определить массу компенсационного груза. Известно [2, 3], что амплитуда вибрации каждого подшипника двухопорного ротора (рис. 1) при условии линейности системы может быть представлена в виде следующей векторной суммы: A0  AI  AII  AIII  ...  AN , (1) где AI , AII , AIII , AN - компоненты амплитуды вибрации, полученные от воздействия на данный подшипник сил, вызванных неуравновешенными массами QI , QII , QIII и т.д., расположенными на роторе.

A

I

II

QHI

B

Q HII

II

I

Рис.1. Схема двухопорного ротора и его уравновешивания в двух плоскостях Неуравновешенность двухопорного ротора приводится к двум массам QHI и QHII , расположенным в плоскостях приведения Ι-Ι и ΙΙ-ΙΙ (рис. 1). В этом случае амплитуды вибраций опорных подшипников A и B могут быть представлены в виде [2]: A0  AI  AII  (2) , B0  BI  BII 

138

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

где A1 и B1 – компоненты амплитуды вибрации подшипников от воздействия неуравновешенной массы QHI ; AII и BII – компоненты амплитуды вибрации подшипников от воздействия неуравновешенной массы QHI . Если в плоскости Ι-Ι добавить пробный груз P1 , то амплитуда вибрации подшипника A в результате совместного действия неуравновешенных QHI , QHII и пробной P1 масс станет равной A01 , при этом вектор вибрации, соответствующий пробному грузу

P1 будет: AP1  A01  A0 . Вследствие линейности системы можно написать:  QI  A1 QHI ; AI   H   AP1 .  AP1 P1  P1  Аналогично можно выразить и остальные члены уравнений:  QHII    AP 2 ; AII    P2   QI   Q II  BI   H   BP1 ; BII   H   BP 2 .  P1   P2  В результате получаем систему уравнений:   QI   Q II  A0   H   AP1   H   AP 2 ;  P1   P2     QHI   QHII    BP1     BP 2 .  BI    P P  1   2   Решая эту систему уравнений, получим;  QHII  B0  A01  A0  B01    , 2  P2 

(3)

(4)

(5)

(6)

 2  A01  B02  B01  A02 .

(7) Полученные выражения являются общей формой решения задачи уравновешиваQHI QHII ния двухопорного ротора при двухплоскостной балансировке [3]. Значения и P1 P2 определяют угол сдвига фазы между искомым положением компенсационного груза и местом закрепления пробного груза, а также коэффициенты, на которые следует умножить массы компенсационных грузов. Анализ полученных формул показывает, что в линейной системе любая неуравновешенность двухопорного ротора вызывает вибрации обоих подшипников. Амплитуды этих вибраций находятся между собой в определенном, постоянном соотношении, как по значению, так и по взаимному расположению, не зависящим от величины самого груза. Так, например, векторы амплитуд вибрации опор A02 и B02 , а также A03 и B03 при компенсации динамической неуравновешенности, должны быть противофазны, вследствие чего уравновешивающие грузы для компенсации динамических дисбалансов подсчитывают без предварительного разложения векторов на симметричные и кососимметричные составляющие [1,3]:

139

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

QKC  

A02 B02  PKC   PKC .

A03  A02 B03  B02

(8)

Если A02  B02 и A03  B03 , то берут их средние значения (по величине и углу). В этом случае, если после разложения векторов начальных вибраций A0 и B0 в соответствии с формулами (2), преобладающими являются кососимметричные составляющие, тогда на роторе сразу устанавливают пару кососимметричных грузов. При этом, после пуска с грузами 2  PKC , определяется балансировочная чувствительность ротора к кососимметричным грузам: A KC (9) a KC  1 , PKC где A1KC  A01KC  A0KC и B1KC   A1KC  B01KC  B0KC - искомая пара уравновешивающих кососимметричных грузов: A0KC A  B0 (10) QKC    0  PKC . aKC A1  B1 При уравновешивании изложенным выше способом важно, чтобы устанавливаемая система грузов (пробных и уравновешивающих) давала строго симметричные или строго кососимметричные реакции, т.е. грузы должны находиться в одной плоскости ротора. В результате будет обеспечена минимальная вибрация роторного оборудования. Список литературы: 1. Сидоров В.А., Сотников А.Л., Цыба С.А. Балансировка роторного оборудования // Вибрация машин. Измерение, снижение, защита. – 2007, №2(9). – С. 45-51. 2. Справочник по балансировке // Под общей редакцией М.Е. Левита.

– М.: Машиностроение, 1992. – 464с. 3. Основы балансировочной техники. Том 1, 2. / Под редакцией В.А. Щепетильникова. – М.: Машиностроение, 1975.

ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ УДОВЛЕТВОРЕНИЯ ПОТРЕБНОСТЕЙ АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ. РОЛЬ МАТЕРИАЛОВ В СОВРЕМЕННОМ АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ Галкин Н.В., Рыбинская Т.А. (кафедра Механики, ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) Автомобилестроение является одним из крупнейших потребителей конструкционных материалов в мире. При этом рост требований к материальным ресурсам формирует конкуренцию между производителями различных видов материалов, прогресс в разработки их новых видов и рост качества. Требования к конструкционным материалам являются составным элементом общих требований к современному автомобилю. Из множества факторов, определяющих выбор материала, основными являются: масса автомобиля, технологичность и надежность материала. Так как конструкционно-технологические моменты использования различных материалов в настоящее время определены, то ведущую роль играет ценовой фактор. При выборе материалов в настоящее время важнейшим условием является рост экономичности производства при не снижении уровня потребительского качества автомобиля. Данная проблема значительно обострилась в последнее десятилетие, так как

140

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

лидерство по инновациям ведущих западных компаний не обеспечивает соответствующее лидерство на автомобильном рынке. Наблюдается рост конкуренции со стороны новых производителей, прежде всего, из стран Юго-Восточной Азии. Процесс модернизации автомобилестроения принял глобальный характер. Об этом свидетельствуют многочисленные государственные и неправительственные программы инновационного развития. Тенденции спроса на материалы в автомобилестроении При анализе изменения доли отдельных видов материалов в структуре потребления автомобилестроения следует учитывать, что группа, определяемая по виду материала, включает разнообразные виды продукции, существенно различающиеся между собой. Так, за последние 20 лет номенклатура, условно определяемая как готовый прокат, существенно изменилась. В настоящее время основную роль в данной группе играет оцинкованная сталь и металлы с покрытиями. Выделим только основные направления перспективного развития систем материалопотребления в автомобилестроении. Несмотря на рост использования в автомобилестроении новых конструкционных материалов, ведущую роль в производстве продолжает играть стальной прокат. В России роль черных металлов несколько выше, чем в других странах мира. Так, на автомобиль класса «Лада» приходится 75% готового проката, метизов и стальных труб, а 25% составляют чугун, цветные металлы, пластмасса, резина, стекло и прочие материалы. Уступая пластмассам и легким металлам по удельному весу изделий, стальные изделия обеспечивают более высокую прочность и соответственно надежность и безопасность. Анализ изменения потребления стальной металлопродукции показывает, что определяющую роль при выборе материала играют два диаметрально противоположенных критерия. С одной стороны, требование по снижению массы изделий предполагает использование высокопрочных материалов, с другой рост требований по технологичности производства предполагает использование высокопластичных материалов. В соответствии с требованиями потребителей в металлургии можно отметит три основные группы изменений: 1. Требование по снижению прочности материала (повышению пластичности) для повышения технологичности обработки. Использование сверхпластичных сталей обеспечивает высокую технологичность штамповки деталей и нанесение на нее специальных покрытий.

2. Требование по повышению прочности материалов для уменьшения массы автомобиля при сохранении уровня надежности конструкций. Использование микролегированных сталей вместо традиционных углеродистых определило основной эффект по снижению массы автомобиля в 1970-1980-х годах (примерно на 20-25%). Источником эффекта стало применение проката уменьшенной толщины, качество листа (минусовые допуски).

3. Успешное сочетание свойств различных материалов в едином продукте является будущим совершенствования системы обеспечения потребностей автомобилестроения ресурсами. Как потенциально важное для эффективного использования металлов в автомобилестроении оценивается возможность использования композиционных заготовок, сваренных из сталей различных уровней прочности и толщины (tailored blanks), а также применение биметаллов. В настоящее время производится более 50 видов биметаллов. Использование биметаллов позволяет, во-первых, существенно снизить расход дорогостоящих цветных металлов (никеля, меди, молибдена, титана, бронзы и т. д.) и, во-вторых, использовать их главное преимущество - возможность сочетания в одном

141

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

материале различных свойств. Толщина плакирующего слоя обычно составляет 10-20% общей толщины биметаллического листа. Наиболее широкое применение в автомобилестроении получила оцинкованная сталь, ставшая в настоящее время в мире базовым материалом.

4. Цветные металлы обеспечивают три важнейших направления улучшения качества автомобилей - коррозионную стойкость, легкость конструкций и эстетичность.

4.1. Из всех цветных металлов, применяемых в автомобилестроении, наиболее быстро растет потребление цинка, прежде всего, за счет расширения использования оцинкованного листа. В среднем на один отечественный автомобиль приходится 10,2 кг цинка, в том числе 5 кг литых деталей, 3 кг цинковых покрытий, 1,2 кг латунных изделий и 1 кг шины.

4.2. Из цветных металлов наибольшее применение в автомобилестроении получил алюминий. Если отставание по использованию цинка в отечественном автомобилестроении относится к 1990-м годам, то по алюминию потребление в России соответствует западному уровню начала 1980-х годов (в 1976 году в США алюминий составлял 3% массы автомобиля или 39 кг). В настоящее время в РФ в среднем на автомобиль затрачивается 44 кг алюминиевых сплавов, по сравнению с 75 кг в Западной Европе и 112 кг в США (11% общей массы автомобиля). За последние 10 лет уровень удельного потребления алюминия в США был увеличен на 42%, а в РФ на 15%. Рост использование алюминия позволяет уменьшать вес автомобиля. По данным IAI в 1990-х годах каждый килограмм алюминия в автомобиле заменил 1,78 кг стали. Следует особо подчеркнуть, что основой для расширения использования алюминия стали не только его конструкционные особенности, но и удешевление изделий. Так детали для автомобилей изготавливаются преимущественно (на 80% в ЕС и на 60% в США) из вторичного сырья. Впервые технология формовки панелей кузова автомобилей была применена в 1976 году (для корпусных панелей автомобиля Aston Martin Lagonda). Полностью алюминиевый корпус был у Audi A8 и у Audi A2 (масса в 2 раза ниже по сравнению со стальным кузовом). Использование алюминия в модели Jaguar XJ (2003 г.) позволило сделать его на 40% (на 200 кг) легче и на 60% прочнее по сравнению с предшествующей моделью. Алюминиевые отливки применяется, главным образом, в конструкциях двигателей (головки цилиндров, всасывающие коллекторы, блоки цилиндров, поршни, корпусные детали, крышки и т. п.). Алюминиевый прокат используется, в основном, для отделки салонов автобусов, троллейбусов, легковых автомобилей, элементов обшивки, теплообменников и др.

4.3. Автомобилестроение является одним из наиболее крупных и относительно устойчивых направлений спроса на медь и медные сплавы. Медь и медная металлопродукция в автомобилестроении используются в производстве грузовых и легковых автомобилей, автобусов, автотракторной прицепной техники, троллейбусов, автопогрузчиков, мото-велотехники, дизельных двигателей, автотракторного электрооборудования и приборов, многочисленных комплектующих изделий. При производстве автомобильной техники следует выделить основные области использования медьсодержащих материалов: • Медный прокат составляет около 29,5% общих затрат меди на автомобиль. Его назначение - теплообменники (охлаждающие пластины, уплотняющие прокладки), детали электрооборудования (якоря, стартеры, коллекторы, щетки, болты, заклепки и другие мелкие детали), системы подвода топлива (круглые цельнотянутые трубки) и • Латунный прокат (41,6% общих затрат меди) используется для изготовления радиаторов (охлаждающие трубки, бачки, радиаторы, патрубки). В составе больше-

142

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

грузных видов автомобильного техники доля радиаторов может составлять 60–70% потребляемого проката медных сплавов. В целом на теплообменники расходуется свыше 40% всего объема медного и латунного проката.

• Литейные медные сплавы (латуни и бронзы составляют 21,4% в структуре потребляемой медной металлопродукции). Основная сфера применения литейных бронз отливки втулок, вкладышей подшипников, клапанов и др. Средний расход литейной бронзы на одну тысячу большегрузных автомобилей составляет 4,1 т, бронзового проката - 1,8 т.

5. Легкие полимерные и композиционные материалы составляют около 12 % от веса автомобиля среднего класса в США и Западной Европе. При этом автомобили более высокого класса имеют более высокую долю данных материалов. При повышенных ценах автомобиля затраты на материалы перестают играть существенную роль по сравнению с выигрышем в эксплуатационных характеристиках. Так пластиковый кузов Dodge ESX3 (Daimler Chrysler) меньше стального по массе более чем на 40%. Композиционные материалы нашли применение в изготовлении рессор (стеклопластик), двигателей (металлокерамика), кузовов грузовых автомобилей и карданных валов. Среднесрочная и долгосрочная перспектива. Очевидно, что перспективный спрос на материалы будет значительно отличаться от текущего материалопотребления. Создать качественный автомобиль без использования современных материалов невозможно, также как и рассчитывать на то, что цены на качественные и, как правило, дефицитные материалы будут ниже мирового уровня. Относительно более низкие темпы роста спроса в металлопродукции по сравнению с ростом производства в обрабатывающих отраслях экономики будут определяться техническим прогрессом в автомобилестроении, в том числе повышением коэффициента использования металла, снижением металлоемкости машин, увеличением замены стальных изделий другими материалами. Важнейшим процессом, влияющим на тенденции материалопотребление, будет изменение структуры выпуска продукции автомобилестроения.

1. Наиболее вероятно расширение использования в России сборочных производств апробированных западных моделей. Это не приведет к непосредственному увеличению спроса на отечественные материалы. Проблема ресурсного обеспечения производства при освоении иностранных моделей автомобиля решается на основе импортных поставок. До момента окончательной доводки производства западные компании используют апробированные материалы, используемые и в течение гарантийного периода эксплуатации технологических линий. Опыт Бразилии (3,2 млн.шт) и Аргентины (1 млн. шт.), имеющих хорошую металлургическую базу, но использующих импортные поставки для автомобилестроения – убедительное тому подтверждение. Сборочные заводы России также используют импортные комплектующие.

2. Отечественное производство новых моделей автомобиля является вопросом выживания действующих автомобильных заводов.

3. Адаптация автомобиля под нужды отдельных групп потребителей предполагает его оснащение специальным периферийным оборудованием целевого назначения (холодильники, цистерны, диагностические лаборатории и т. д.). Кузова всех современных автомобилей, за небольшим исключением, изготавливаются из того же материала, который Генри Форд использовал для производства автомобилей Model T. В следующем веке сталь сохранит свое преимущество 100-летнего использования и низкой, по сравнению с большинством конструкционных материалов, стоимости.

143

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Уже завоевавшие себе место в автомобильной промышленности алюминий, магний и композиты продолжают участие в борьбе автопроизводителей за снижение веса. "Однако в 2025 г. лидирующие позиции по-прежнему будет занимать сталь", - считает Jeff Dieffenbach, руководитель проекта, IBIS Associates, Wellesley, Массачусетс. Данная компания консультирует в области материалов и производства. Что, вероятнее всего, изменится - так это технология получения металла. Штампованный несущий кузов, скорее всего, трансформируется в конструкцию типа пространственной рамы, представляющую собой переплетение балок из выдавленных и гнутых профилей. На Токийском автосалоне 2001 года был представлен концепт Honda Unibox, кузовом, а точнее несущим каркасом которого служит алюминиевая пространственная рама. Снаружи к ней крепятся наружные панели кузова из пластика. Панели выполнены прозрачными, но как только пассажиров или водителя начнет смущать повышенное внимание окружающих, их можно заменить на панели, окрашенные в любой требуемый цвет, а можно наоборот «раздеть» свою машину до алюминиевого скелета. Панелью приборов служит складывающийся выдвигающийся дисплей. Самая необходимая информация проецируется на ветровое стекло, а зеркала заднего вида заменяет широкий панорамный экран, дающий полную картину происходящего за бортом. Панели кузова легковых автомобилей в 2100 г. будут сделаны из термопласта, и их форму можно будет изменять с помощью электрического заряда. В основе получения этого принципиально нового пластика будет лежать технология, аналогичная той, которая сегодня применяется для реологических жидкостей. Применение термопласта для автомобильного каркаса позволит изготавливать автомобили на трех базах: для 2, 4 и 6 пассажиров. Эта система позволит один и тот же каркас раздвигать в длину или укорачивать, в зависимости от требуемого размера. Прибавляя или убирая пластиковые панели, кузов можно укорачивать или удлинять. В качестве опоры для пластиковых панелей кузова будут использоваться конструкционные элементы из пластика, которые для быстрой смены плотно вставляются в друг друга краями ("защелкиваются"). Известная своими экстравагантными автомобилями швейцарская фирма Rinspeed построила новую экспериментальную машину Presto с трансформируемым кузовом. В "сложенном" состоянии Presto, имеющий длину 2990 мм, представляет собой крохотный переднеприводный двухместный родстер, пассажирам которого придется перелезать через борта автомобиля - двери у Presto не предусмотрены. Список литературы: 1. Рунец М.А. Справочник автомобильного механика. – М.: Транспорт, 1996. – 272 с. 2. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. Орлина А.С., Круглова М.Г. – М.: Машиностроение, 2003. 3. http://www.avtoprices.com/article/420 4. http://www.ecfor.ru

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Козлов К.Г., Рыбинская Т.А. (кафедра механики, ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) Существенное влияние на надежность и качество электроснабжения оказывают кондуктивные электромагнитные помехи, которые характеризуются показателями качества электроэнергии (ПКЭ). Исследования и оценка влияния ПКЭ на различные приёмники электроэнергии (ЭЭ) и электрооборудование проводятся давно и постоянно.

144

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Электромагнитная среда формируется как результат определенного технологического процесса. В электроэнергетике это – производство, передача и потребление электроэнергии. Каждому этапу этого процесса свойственны определенные изменения, вызванные отклонениями от заданного режима, принципом действия электрооборудования оборудования и его состоянием, действиями обслуживающего персонала, климатическими факторами, работой средств защиты и автоматики. Эти изменения и являются причиной ЭМП. Так, изменения скорости вращения генераторов приводят к изменениям частоты. Изменения режима по передаваемой (потребляемой) мощности приводят к изменениям напряжения. Регулирование частоты и напряжения обеспечивается электрической системой, ее средствами производства и передачи электроэнергии. В результате попадания молнии в линию электропередачи по сети распространяется импульс тока. вызванное этим короткое замыкание ликвидируется средствами защиты и автоматики. Таким образом, электроэнергетическая система (ЭЭС) является той электромагнитной средой, в которой ЭМП создаются, распространяются и воздействуют на ЭП (рис. 1), но и сами ЭП являются источниками ЭМП. Поэтому качество электроэнергии – это совокупность свойств, характеризующих систему электроснабжения по уровню помех, называемых показателями качества электроэнергии в этой системе. Значения ПКЭ и их номенклатура установлены ГОСТ 13109–97 «Электромагнитная совместимость. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Обеспечивая нормативные значения ПКЭ, энергоснабжающая организация гарантирует электромагнитную совместимость присоединенных электроприемников, если уровень их помехоустойчивости выше ПКЭ в сети. С другой стороны, разработчики электроприемников, зная нормативные значения ПКЭ, должны конструировать электроприемники так, чтобы их помехоустойчивость была выше показателей качества электроэнергии. Основные формы ущерба, который несут потребители и энергосистема вследствие ухудшения качества ЭЭ, следующие: - снижение эффективности процессов генерации, передачи и потребления электроэнергии за счет увеличения потерь в элементах сети; - уменьшение срока службы и выход из строя электрооборудования из-за нарушения его нормальных режимов работы и старения изоляции; - нарушение нормальной работы и выход из строя устройств релейной защиты, автоматики и связи; - снижение производительности; - остановку производства с затратами на его возобновление; - порчу технологического оборудования; - брак продукции.

145

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Рис. 1. Характерные виды помех в системе электроснабжения в процессе производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии: ПС – подстанции; ЦП – центры питания; ГРЭС – генераторы электростанций; РТП, РП, ТП – распределители трансформаторных подстанций; СК – синхронные компенсаторы; СТК – статистические тиристорные компенсаторы; ФКУ – фильтрокомпенсирующие устройства; КБ – конденсаторные батареи; ДСП – дуговые сталеплавительные печи Причиной дополнительных потерь энергии в трансформаторах является поток гармонических составляющих. При нагрузке трансформатора, близкой к максимальной, эти потери могут вызвать отказы оборудования вследствие общего дополнительного нагрева и нагрева отдельных участков обмоток. Гармоники увеличивают потери на вихревые токи при наличии обычной смешанной нагрузки в девять раз, т.к. возрастают пропорционально квадрату частоты, практи-

146

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

чески удваивая суммарные потери в нагрузке. Отсюда следует, что до расчета потерь в трансформаторе, должен быть определен спектр гармоник. Дополнительные потери, вызывающие перегрев трансформаторов при наличии высших гармоник, возникают из-за скин-эффекта меди обмотки, а также в связи с увеличением потерь на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе трансформатора. Перегрев проводников вследствие поверхностного скин-эффекта. Высшие гармоники являются причиной дополнительных потерь в проводниках. Действие скин-эффекта (увеличение активного сопротивления проводника с ростом частоты) значительно возрастает на частоте 350 Гц (7-ая гармоника) и выше. Например, полное сопротивление проводника сечением 20 мм на частоте 350 Гц возрастает на 60% по сравнению с его сопротивлением постоянному току. Рост сопротивления, особенно его реактивной составляющей (на высоких частотах), приводит к дополнительному падению напряжения и, соответственно, дополнительным потерям. Дополнительные потери в кабелях силовой сети при наличии высших гармоник, вызываются следующими основными причинами: - увеличением действующего значения негармонического тока; - увеличением активного сопротивления проводника из-за скин-эффекта; - увеличением потерь в диэлектрике изоляции кабеля. Перегревание цепи нейтрали. Одной из причин перегревания цепи нейтрали является тот эффект гармоник, что гармоники, кратные третьей, суммируются в проводнике нейтрали. В результате, с учетом того, что они составляют большую долю в действующем значении фазных токов, общий ток в нейтрали может превышать фазные токи, если при этом имеется повышенный коэффициент обратной последовательности токов. Нагрев конденсаторов. Дополнительные потери в конденсаторах при наличии высших гармоник обусловлены увеличением «угла потерь» в диэлектрике и ростом действующего значения тока конденсатора. Возникающий перегрев в конденсаторе может привести к пробою диэлектрика. Конденсаторные установки при несимметрии напряжений неравномерно загружаются реактивной мощностью по фазам, а в таком режиме невозможно использовать их на полную мощность. Кроме того, конденсаторные установки в этом случае усиливают уже существующую несимметрию, т.к. мощность, передаваемая в сеть по фазе с наименьшим напряжением, будет меньше, чем по остальным фазам. Недостоверный учет электрической энергии и претензии к энергоснабжающим организациям Пока далеко не все предприятия выставляют претензии энергоснабжающим организациям к качеству электроэнергии. Но это неизбежно случится в будущем, т.к. при использовании современной аппаратуры и методов анализа качества электроэнергии, возможен точный расчет экономического ущерба, нанесенного предприятию при недопоставке ЭЭ или ее недостаточном качестве, и соответственно, юридически обоснованные требования компенсации финансовых потерь. Влияние на надежность Например, при пониженном на 10% напряжении срок службы асинхронного двигателя (АД) сокращается в 2 раза. При повышении на 1% реактивная мощность возрастает на 5-7%. При несимметрии напряжений 2% срок службы АД сокращается на 10, 8%, синхронных – на 16, 2%, трансформаторов – на 4%.

147

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

При несинусоидальном напряжении с Кг=7% ток утечки в изоляции кабеля за 3,5 года возрастает на 43%. В конденсаторных батареях за 2 года tgδ увеличивается в 2 раза. Понятно, что снижение сроков службы электротехнического оборудования ведет к снижению надежности электроснабжения в целом. Отдельно следует рассматривать такой ПКЭ, как провал напряжения. Провалы имеют случайный характер, а значимость их последствий весьма существенна. Для решения технической задачи коммерческого учёта ПКЭ предлагается встроить АИИС-ПКЭ в действующую АИИСКУЭ. Параллельно электросчетчикам в точках учета нужно установить приборы регистрации ПКЭ типа «Энергомонитор 3.2» , которые передают учётную информацию через GSM-модемы или иные каналы связи на сервер ПКЭ. Информация передается в виде суточного массива данных. При наличии сети стандарта Ethernet от приборов «Энергомонитор 3.2» на сервер передаются текущие измеренные значения в режиме реального времени, что позволяет организовать автоматический анализа ПКЭ и оперативно принимать решения. Таким образом, обеспечивается учёт ПКЭ, в т.ч. определяется и фиксируется виновник снижения качества ЭЭ в пределах каждых суток, поскольку прибор измеряет и регистрирует мощности искажений с учетом знака (потребление/генерация). Из сказанного очевидно, что для проведения взаиморасчетов «поставщик-потребитель» по ПКЭ необходимо вести непрерывный учет энергии искажений ( кВт·час) с разделением «потребление-генерация» за отчетный период. Взаимодействие с поставщиком. В экономико-правовой части ключевым является практическое введение договорных обязательств о разделении взаимной ответственности за КЭ между поставщиками и потребителями электроэнергии. Договорами на электроснабжение должно устанавливаться безусловное обязательство энергоснабжающей организации поддерживать в точке общего присоединения (или в другой оговоренной точке контроля) значения ПКЭ в соответствии с нормами ГОСТ 13109-97 (или более жесткими). Со стороны потребителя обязательными условиями договора должно быть: установка АИИС и выполнение оговоренных графиков электропотребления и других режимных мероприятий. Договор должен составляться с указанием конкретных нормально и предельно допускаемых значений ПКЭ. Следующим шагом должен быть договорной учёт ПКЭ, т.е. потребления и генерации энергии искажений, с их тарификацией и последующими взаимными финансовыми расчётами. Здесь принцип простой – мощность искажений оплачивает тот, кто эти искажения генерирует. Особым образом в договорах должны расцениваться перерывы поставки ЭЭ (провалы напряжения) - конкретно для каждого потребителя. Основная цель внедрения систем мониторинга ПКЭ на промышленных предприятиях – это сокращение издержек за счёт тесного взаимодействия с поставщиком электроэнергии. Для электросетевых предприятий АИИС-ПКЭ – это инструмент для анализа состояния электрооборудования и выявления источников технических потерь. Дополнительные возможности. Дополнительно, мониторинг ПКЭ и электроэнергетических величин даёт измерительную информацию для проведения энергетических обследований (энергоаудитов) как у потребителей, так и у поставщиков электроэнергии. При этом анализ охватывает длительный период (например, год) без пропусков, что даёт совершенно объективную картину состояния энергоснабжения предприятия и позволяет выбрать оптимальные варианты решения проблем его надежности и эффективности.

148

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Прибор «Энергомонитор 3.2» может измерять коэффициент реактивной мощности (tgφ) на заданных интервалах времени, что позволит определять коэффициент к тарифу (приказ Минпромэнерго № 49 от 22/02/2007). Это является экономическим стимулом для снижения нагрузки на сетевое оборудование и повышение пропускной способности сетей. Таким образом, внедрение систем мониторинга ПКЭ на предприятиях энергетического комплекса и промышленности позволяет легитимно решать экономически значимые проблемы надежного и качественного электроснабжения, эффективного использования сетевого оборудования. Анализ результатов мониторинга позволяет находить оптимальные решения проблем электромагнитной совместимости. Список литературы: 1. ГОСТ 13109–97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск: ИПК Изд-во стандартов, 1998.

2. Кармашев В.С. Электромагнитная совместимость технических средств: Справочник.

– М.: Научно-технический центр «Норт», 2001. 3. Карташев И.И., Тульский В.Н. «Управление качеством электроэнергии».

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИ ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ Максименко М.В. Рыбинская Т.А. , Шаповалов Р.Г. (кафедра механики, ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) Вопросы экологии в настоящее время выходят на первый план в развитии промышленности и общества. Технологические процессы изготовления отливок характеризуются большим числом операций, при выполнении которых выделяются пыль, аэрозоли и газы. Пыль, основной составляющей которой в литейных цехах является кремнезём, образуется при приготовлении и регенерации формовочных и стержневых смесей, плавке литейных сплавов в различных плавильных агрегатах, выпуске жидкого металла из печи, внепечной обработке его и заливке в формы, на участке выбивки отливок, в процессе обрубки и очистки литья, при подготовке и транспортировке исходных сыпучих материалов. В воздушной среде литейных цехов, кроме пыли, в больших количествах находятся оксиды углерода, углекислый и сернистый газы, азот и его окислы, водород, аэрозоли, насыщенные оксидами железа и марганца, пары углеводородов и др. Источниками загрязнений являются плавильные агрегаты, печи термической обработки, сушила для форм, стержней и ковшей и т.п. Одним из критериев опасности является оценка уровня запахов. На атмосферный воздух приходится более 70 % всех вредных воздействий литейного производства [1]. При производстве 1 т отливок из стали и чугуна выделяется около 50 кг. пыли, 250 кг оксидов углерода, 1,5-2 кг оксидов серы и азота и до 1,5 кг других вредных веществ (фенола, формальдегида, ароматических углеводородов, аммиака, цианидов). В водный бассейн поступает до 3 куб. м сточных вод и вывозится в отвалы до 6 т отработанных формовочных смесей. Интенсивные и опасные выделения образуются в процессе плавки металла. Выброс загрязняющих веществ, химический состав пыли и отходящих газов при этом различен и зависит от состава металлозавалки и степени ее загрязнения, а также от состоя-

149

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

ния футеровки печи, технологии плавки, выбора энергоносителей. Особо вредные выбросы при плавке сплавов цветных металлов (пары цинка, кадмия, свинца, бериллия, хлор и хлориды, водорастворимые фториды). Применение органических связующих при изготовлении стержней и форм приводит к значительному выделению токсичных газов в процессе сушки и особенно при заливке металла. В зависимости от класса связующего в атмосферу цеха могут выделяться такие вредные вещества как аммиак, ацетон, фенол, формальдегид, фурфурол и т.д. При изготовлении форм и стержней с тепловой сушкой и в нагреваемой оснастке загрязнение воздушной среды токсичными компонентами возможно на всех стадиях технологического процесса: при изготовлении смесей, отверждении стержней и форм и охлаждении стержней после извлечения из оснастки [2]. Рассмотрим токсичное воздействие на человека основных вредных выделений литейного производства. Оксид углерода (класс опасности – IV) – вытесняет кислород из оксигемоглобина крови, что препятствует переносу кислорода из лёгких к тканям; вызывает удушье, оказывает токсическое действие на клетки, нарушая тканевое дыхание, и уменьшает потребление тканями кислорода. Оксиды азота (класс опасности – II) – оказывают раздражающее действие на дыхательные путии кровяные сосуды. Формальдегид (класс опасности – II) – общеядовитое вещество, вызывающее раздражение кожи и слизистой оболочки. Бензол (класс опасности – II) – оказывает наркотическое, отчасти судорожное действие на центральную нервную систему; хроническое отравление может привести к смерти. Фенол (класс опасности – II) – сильный яд, оказывает общетоксическое действие, может всасываться в организм человека через кожные покровы. Бензопирен С20Н12 (класс опасности – IV) – канцерогенное вещество, вызывающее генные мутации и раковые заболевания. Образуется при неполном сгорании топлива. Бензопирен обладает высокой химической стойкостью и хорошо растворяется в воде, из сточных вод распространяется на большие расстояния от источников загрязнений и накапливается в донных отложениях, планктоне, водорослях и водных организмах [3]. Твёрдые отходы литейного производства содержат до 90 % отработанных формовочных и стержневых смесей, включая брак форм и стержней; также они содержат просыпи и шлаки из отстойников пылеочистной аппаратуры и установок регенерации смесей; литейные шлаки; абразивную и галтовочную пыль; огнеупорные материалы и керамику. Количество фенолов в отвальных смесях превышает содержание других токсичных веществ. Фенолы и формальдегиды образуются в процессе термодеструкции формовочных и стержневых смесей, в которых связующим являются синтетические смолы. Эти вещества хорошо растворимы в воде, что создает опасность попадания их в водоёмы при вымывании поверхностными (дождевыми) или грунтовыми водами. Сточные воды поступают главным образом от установок гидравлической и электрогидравлической очистки отливок, гидрорегенерации отработанных смесей и мокрых пылеуловителей. Как правило, сточные воды линейного производства одновременно загрязнены не одним, а рядом вредных веществ. Также вредным фактором является нагрев воды, применяемой при плавке и заливке (водоохлаждаемые формы при кокиль-

150

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

ном литье, литье под давлением, непрерывное литье профильных заготовок, охлаждении катушек индукционных тигельных печей). Попадание тёплой воды в открытые водоёмы вызывает снижение уровня кислорода в воде, что неблагоприятно влияет на флору и фауну, а также снижает самоочищающую способность водоёмов. Расчёт температуры сточных вод производится с учётом санитарных требований, чтобы летняя температура речной воды в результате спуска сточных вод не поднималась более чем на 3° С. Газовыделения на различных переделах рассчитываются: – при плавке – умножением удельных газовыделений (в пересчёте на диоксид) на массу выплавляемого металла; – при изготовлении форм и стержней – умножением удельных газовыделений (в пересчёте на диоксид) на массу стержня (формы). Проблема предупреждения выделения вредностей, их локализации и обезвреживания, утилизации отходов является особенно острой. Для этих целей применяется комплекс природоохранных мероприятий, включающий использование следующих материалов и устройств: – для очистки от пыли – искрогасителей, мокрых пылеуловителей, электростатическихпылеуловителей, скрубберов (вагранки), тканевых фильтров (вагранки, дуговые и индукционные печи), щебёночных коллекторов (дуговые и индукционные электропечи); – для дожигания ваграночных газов – рекуператоры, системы очистки газов, установки низкотемпературного окисления СО; – для уменьшения выделения вредностей формовочных и стержневых смесей – снижение расхода связующего, окисляющие, связующие и адсорбирующие добавки; – для обеззараживания отвалов– устройство полигонов, биологическая рекультивация, покрытие изоляционным слоем, закрепление грунтов и т. д.; – для очистки сточных вод– механические, физико-химические и биологические методы очистки. Все эти мероприятия связаны со значительными затратами. Очевидно, следует прежде всего бороться не с последствиями поражения вредностями, а с причинами их возникновения. Это должно быть главным аргументом при выборе приоритетных направлений развития тех или иных технологий в литейном производстве. С этой точки зрения использование электроэнергии при плавке металла наиболее предпочтительно, так как при этом минимальны выбросы самих плавильных агрегатов. Вопрос о выборе процесса формовки базируется на анализе трёх факторов: 1) технологического – включает основные свойства смесей (прочность, текучесть, выбиваемость, вероятность образования дефектов); 2) экономического – включает стоимость смесей и стержней, брак стержней и отливок, возможность экономии металла за счёт повышения точности, снижения толщины стенок отливок, стоимости и стойкости оснастки и т. д.; 3) экологического – включает объём газовыделений в холодной стадии процесса и при заливке, охлаждении и выбивке, возможность и стоимость депонирования отходов, утилизации и т. д. По этим критериям несомненными преимуществами обладают смеси на связующих неорганического происхождения. Природоохранное законодательство в России развивается крайне медленно. Ещё в 1991 году был принят «Закон об охране окружающей природной среды», суть которого во введении платы за загрязнения и штрафов за превышение нормативов. Имелось вви-

151

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

ду стимулирование природоохранных технологий и нормализация экологической обстановки. С предприятий предусматривалось брать платуза использование природных ресурсов или штраф за превышение экологических нормативов в размере, превышающем затраты на предотвращение вредных выбросов. Если предприятие внедряет экологически чистую технологию, то штраф с него не взимается, а плата за природные ресурсы существенно уменьшается. Плата за основные производственные фонды, используемые в природоохранной деятельности, не производятся. Острота экологических санкций заключается в том, что штраф взимается из прибыли. Он является некоторой усреднённой величиной, сумма которой может быть, с учётом местных условий, либо увеличена (для экологически неблагоприятных регионов), либо уменьшена для регионов, где экологическая обстановка благоприятна. Предприятиям устанавливается срок внедрения природоохранных мероприятий, по истечении которого будут браться прогрессивные отчисления из фондов предприятия. В настоящее время проблемы экологии одна из самых наиболее значимых проблем в мире. Какими бы не были разработки по охране и защите окружающей среды, все равно вредные вещества будут накапливаться, т.к. «идеальных» механизмов в природе нет. Список литературы: 1. Болдин А.Н., Давыдов Н.И., Жуковский С.С. Литейные формовочные материалы. Формовочные, стержневые смеси и покрытия. – М.: Машиностроение, 2006. – 507 с. 2. Инженерная экология литейного производства: Учебное пособие /Под общ. ред. А.Н. Болдина. – М.: Машиностроение, 2010. – 352 с.

ОБЩАЯ МЕТОДИКА И ПОДХОД ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ НА БАЗЕ КОМБИНИРОВАННОЙ ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ И ФОП Меркулов М.В., Сухинин Е.С. (кафедра ТМ, ДонНТУ, Донецк, Украина) С развитием научно-технического прогресса непрерывно повышаются требования к качеству функционирования различных машин и оборудования. Создаваемые технические системы постоянно совершенствуются, при этом расширяются их эксплуатационные характеристики, решаются вопросы экологии, эстетики и эргономики. Для реализации этого, на всех этапах жизненного цикла технических систем необходимо обеспечивать их качественно новую совокупность свойств. Это может быть достигнуто посредством повышения качества отдельных подсистем, узлов, деталей и элементов машин. [1] Для повышения качества изделий машиностроения и реализации полного потенциала работоспособности деталей в настоящее время широко применяются специальные вакуумные ионно-плазменные покрытия, которые выполняются на базе различных переходных металлов, их сплавов или их композиций с неметаллами. Применение данных покрытий обеспечивает изделиям машиностроения новые свойства. При этом создаваемые машины и технические системы с использованием этих изделий существенно повышают их эксплуатационные возможности. Однако применяемые в данное время методы и способы изготовления изделий с покрытиями не позволяют обеспечить качественно новую совокупность свойств и меру полезности изделий, а также реализовать полный потенциал их эксплуатационных свойств и возможностей. Это снижает технико-экономические показатели выпускаемых машин.

152

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

В статье представлены основы создания нового класса покрытий изделий машиностроения и общей методологии их синтеза, обеспечивающих повышение техникоэкономических параметров их эксплуатации. Этот класс покрытий именуется функционально-ориентированными покрытиями. Для достижения поставленной цели планируется решить целый комплекс различных задач, а именно: разработать принципы синтеза функционально-ориентированных покрытий, предложить общую методологию нанесения функционально-ориентированных покрытий, изучить особенности предлагаемого нового класса покрытий и их нанесения, предложить научно-обоснованную классификацию функционально-ориентированных покрытий. [2] Функционально-ориентированное покрытие изделия это специальное покрытие поверхностей или отдельных зон одним или множеством различных покрытий варьируемых по виду, типу, варианту, качеству и технологии нанесения, которые функционально соответствуют условиям их эксплуатации в каждой отдельной зоне изделия. При этом их вид, тип, вариант, качество и технологии нанесения целенаправленно определяются, а также топологически, функционально и количественно ориентируется при нанесении на каждые отдельные зоны изделия в зависимости от заданных функциональных особенностей их эксплуатации. Применение функциональноориентированных покрытий для изделий машиностроения позволяет максимально повысить их общие эксплуатационные параметры за счет местного увеличения технических возможностей и свойств отдельных элементов и/или поверхностей изделия в зависимости от его зональных функциональных особенностей эксплуатации элементов. При этом изделия машиностроения максимально адаптируются по своим свойствам к особенностям их эксплуатации. Здесь на отдельные зоны поверхностей наносятся различные по своим свойствам покрытия. К ним относятся покрытия различных видов, типов, вариантов, которые реализуются по различным технологиям. Предлагаемый новый класс покрытий обеспечивает качественно новую совокупность свойств изделий. Это дает возможность существенно повысить технико-экономические показатели создаваемых машин и систем. [3] Для обеспечения необходимого процесса нанесения покрытий данного класса разработана общая методология синтеза функционально-ориентированных вакуумных ионно-плазменных покрытий изделий машиностроения. В предлагаемой методологии, процесс нанесения этих покрытий реализуется на основе следующих принципов: 1. Изоморфного топологического соответствия геометрических параметров каждой зоны изделия, в которой реализуется заданная функция при эксплуатации, зоне нанесения требуемого покрытия с необходимыми свойствами.

2. Функционального соответствия параметров качества покрытия (тип, вид, вариант покрытия, технологии нанесения и обработки) каждой зоны особенностям действия в ней эксплуатационных функций.

3. Полного или частичного количественного соответствия множества различных функциональных зон поверхностей изделия, имеющихся при эксплуатации, множеству зон нанесения различных покрытий соответствующего качества. На основе данных принципов выполняется нанесение функциональноориентированных покрытий, которые обеспечивают полную адаптацию изделия и его элементов по эксплуатационным свойствам к условиям эксплуатации. При этом тело изделия может изготавливаться из недорогостоящего материала, а функциональноориентированные вакуумные ионно-плазменные покрытия изделий машиностроения обеспечивают им полный потенциал функциональных возможностей. Это существенно повышает технико-экономические показатели изготовления и эксплуатации изделий.

153

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Можно отметить, что первый принцип при нанесении функциональноориентированных покрытий обеспечивает геометрическую ориентацию каждого покрытия (по толщине, геометрии и пространственному расположению), имеющего заданные свойства, в соответствии геометрией зон действия различных функций на поверхностях изделия. Второй принцип накладывает ограничения по обеспечению функционального соответствия параметров качества покрытия (тип, вид, вариант покрытия, технологии нанесения и обработки) каждой зоны особенностям действия в ней эксплуатационных функций. То есть покрытие в каждой зоне должно иметь максимально возможные параметры качества для данных условий ее эксплуатации. На основании третьего принципа обеспечивается покрытие всех зон изделия необходимым, с точки зрения обеспечения всему изделию максимально возможных свойств, покрытием. Таким образом, на изделие наносится поле (множество) различных по качеству покрытий, параметры каждого из которых обеспечиваются в соответствии с множеством функциональных особенностей эксплуатации изделия в машине. [4] В целом общая методология синтеза функционально-ориентированных вакуумных ионно-плазменных покрытий изделий машиностроения базируется на разработанных новых принципах их нанесения. Общая методология синтеза функциональноориентированных вакуумных ионно-плазменных покрытий изделий машиностроения обусловлена полем различных по качеству покрытий, общая структура и параметры каждого из которых обеспечиваются в соответствии с функциональными особенностями эксплуатации изделия. В заключении можно отметить, что разработанный новый класс специальных покрытий, новые принципы нанесения функционально-ориентированных покрытий и технологическое обеспечение позволяют обеспечить качественно новую совокупность свойств и меру полезности изделий машиностроения. А это дает возможность создавать машины и технологические системы с новыми возможностями, что существенно повышает их технико-экономические показатели при эксплуатации. При этом разработанная методология и методика синтеза функционально-ориентированных покрытий дают возможность производить создание новых видов, типов и вариантов этих покрытий и решать вопросы повышения эксплуатационных свойств изделий для различных условий работы машин и систем. Можно отметить, что функционально-ориентированные технологии позволяют не только обеспечивать высокие физико-механические местные свойства материала изделия, но и создавать местные специальные нетрадиционные его свойства. В качестве примера на рис. 1 приведены некоторые варианты схем, поясняющие различные виды реализации специальных функциональных свойств материала элементов изделий, изготавливаемых с применением функционально-ориентированных технологий. [5]

154

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Рис. 1. Виды реализации специальных функциональных свойств материала элементов изделий

Список литературы: 1. Митрофанов С.П. Групповая технология машиностроительного производства. – Л.: Машиностроение, 1983. 2. Внуков Ю.Н. Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент. – К.: «Техника», 1992. 3. Михайлов А.Н. Общие особенности функционально-ориентированных технологий и принципы ориентации их технологических воздействий и свойств изделий // Машиностроение и техносфера XXI века. Сборник трудов XIV международной научно-технической конференции в г. Севастополе 17-22 сентября 2007 г. В 5-ти томах. – Донецк: ДонНТУ, 2007. Т. 3. С. 38-52. 4. Михайлов А.Н., Михайлов В.А., Михайлова Е.А. Методика и основные принципы синтеза функционально-ориентированных вакуумных ионноплазменных покрытий изделий машиностроения. // Упрочняющие технологии и покрытия. – М.: Машиностроение, 2005. – №7. – С. 3 – 9. 5. Фомин И.А., Михайлов А.Н. Возможности функционально-ориентированных технологий в машиностроении // Прогрессивные направления развития машиноприборостроительных отраслей и транспорта. Тезисы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Севастополь: Издателство СевНТУ, 2010.

155

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО И КАЧЕСТВО ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Погромский И.В., Рыбинская Т.А. (кафедра механики, ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, Россия) XX век принес человечеству немало благ, связанных с бурным развитием научнотехнического прогресса, и в то же время поставил жизнь на Земле на грань экологической катастрофы. Рост населения, интенсификация добычи и выбросов, загрязняющих Землю, приводят к коренным изменениям в природе и отражаются на самом существовании человека. Часть из таких изменений чрезвычайно сильна и настолько широко распространена, что возникают глобальные экологические проблемы. Имеются серьезные проблемы загрязнения (атмосферы, вод, почв), кислотных дождей, радиационного поражения территории, а также утраты отдельных видов растений и живых организмов, оскудения биоресурсов, обезлесения и опустынивания территорий. Проблемы возникают в результате такого взаимодействия природы и человека, при котором антропогенная нагрузка на территорию (ее определяют через техногенную нагрузку и плотность населения) превышает экологические возможности этой территории, обусловленные главным образом ее природно-ресурсным потенциалом и общей устойчивостью природных ландшафтов (комплексов, геосистем) к антропогенным воздействиям. Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха являются машины и установки, использующие серосодержащие угли, нефть, газ. Значительно загрязняют атмосферу автомобильный транспорт, ТЭЦ, предприятия черной и цветной металлургии, нефтегазоперерабатывающей, химической и лесной промышленности. Большое количество вредных веществ в атмосферу поступает с выхлопными газами автомобилей, причем их доля в загрязнении воздуха постоянно растет; по некоторым оценкам в России – более 30%, а в США – более 60% от общего выброса загрязняющих веществ в атмосферу. С ростом промышленного производства, его индустриализации, средозащитные мероприятия, базирующиеся на нормативах ПДК и их производных, становятся недостаточными для снижения уже образовавшихся загрязнений. Поэтому естественно обращение к поиску укрупненных характеристик, которые, отражая реальное состояние сред, помогли бы выбору экологически и экономически оптимального варианта, а в загрязненных (нарушенных) условиях – определили очередность восстановительнооздоровительных мероприятий. С переходом на путь интенсивного развития экономики важная роль отводится системе экономических показателей, наделенных важнейшими функциями хозяйственной деятельности: плановой, учетной, оценочной, контрольной и стимулирующей. Как всякое системное образование, представляющее собой не произвольную совокупность, а взаимосвязанные элементы в определенной целостности, экономические показатели призваны выражать конечный результат с учетом всех фаз воспроизводственного процесса. Одной из важных причин увеличения природоемкости экономики стал превышающий все допустимые нормативы износ оборудования. В базовых отраслях промышленности, транспорта износ оборудования, в том числе очистного, достигает 70– 80%. В условиях продолжающейся эксплуатации такого оборудования резко увеличивается вероятность экологических катастроф.

156

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Типичной в этом отношении стала авария нефтепровода в арктическом районе Коми около Усинска, в результате которой на хрупкие экосистемы Севера вылилось – по различным оценкам – до 100 тыс. т нефти. Эта экологическая катастрофа стала одной из крупнейших в мире в 90-х гг., и она была вызвана крайней изношенностью трубопровода. Авария получила мировую огласку, хотя по оценкам некоторых российских специалистов она является одной из многих – просто другие удалось скрыть. Например, в том же регионе Коми в 1992 г., по данным межведомственной комиссии по экологической безопасности, произошло 890 аварий. Колоссален экономический ущерб экологических катастроф. На сэкономленные в результате предотвращения аварий средства в течение нескольких лет можно было бы реконструировать топливно-энергетический комплекс, существенно снизить энергоемкость всей экономики. Ущерб, наносимый природе при производстве и потреблении продукции, - результат нерационального природопользования. Возникла объективная необходимость установления взаимосвязей между результатами хозяйственной деятельности и показателями экологичности выпускаемой продукции, технологией ее производства. Это в соответствии с законодательством требует от трудовых коллективов дополнительных затрат, которые необходимо учитывать при планировании. На предприятии целесообразно разграничивать затраты на охрану окружающей среды, связанные с производством продукции и с доведением продукта до определенного уровня экологического качества, либо с заменой его другим, более экологичным. Существует связь между качеством продукции и качеством окружающей среды: чем выше качество продукции (с учетом экологической оценки использования отходов и результатов природоохранной деятельности в процессе производства), тем выше качество окружающей среды. Каким образом можно удовлетворить потребности общества в должном качестве окружающей среды? Преодолением негативных воздействий с помощью обоснованной системы норм и нормативов, с увязкой расчетных методов ПДВ, ПДС и средозащитных мероприятий; разумным (комплексным, экономичным) использованием природных ресурсов, отвечающим экологическим особенностям определенной территории; экологической ориентации хозяйственной деятельности, планирование и обоснование управленческих решений, выражающихся в прогрессивных направлениях взаимодействия природы и общества, экологической аттестации рабочих мест, технологии выпускаемой продукции. Обоснование экологичности представляется неотъемлемой частью системы управления, влияющей на выбор приоритетов в обеспечении народного хозяйства природными ресурсами и услугами в пределах намечаемых объемов потребления. Различие производственных интересов и отраслевых заданий определяет особенности взглядов специалистов на проблему экологизации производств, применяемой и создаваемой техники и технологии. Предпринимаются попытки на основе единого методического подхода, расчетом частных и обобщающих показателей выразить взаимосвязь натуральных и стоимостных характеристик в принятии экономически целесообразного и экологически обусловленного (приемлемого) решения. Приоритетность натуральных параметров, показателей отвечает потребностям ресурсообеспечения общественного производства. Стоимостные показатели должны отражать результативность усилий по снижению (или повышению) техногенной нагрузки на природу. С их помощью производится расчет

157

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

экологического ущерба и оценивается эффективность мер по стабилизации режима природопользования. Надо сказать, что кроме этого принимаются и такие меры, как: - обеспечение организации производства нового, более совершенного оборудования и аппаратуры для очистки промышленных выбросов в атмосферу от вредных газов, пыли, сажи и других веществ; - проведение соответствующих научных исследований и опытно-конструкторской работ по созданию более совершенной аппаратуры и оборудования для защиты атмосферного воздуха от загрязнения промышленными выбросами; - осуществление на предприятиях и организациях монтажа и наладки газоочистного и пылеулавливающего оборудования и аппаратуры; - осуществление государственного контроля за работой газоочистных и пылеулавливающих установок на промышленных предприятиях. Природно-промышленные системы в зависимости от принятых качественных и количественных параметров технологических процессов отличаются друг от друга по структуре, функционированию и характеру взаимодействия с природной средой. В действительности даже одинаковые по качественным и количественным параметрам технологических процессов природно-промышленные системы отличаются друг от друга неповторимостью экологических условий, что приводит к различным взаимодействиям производства с окружающей его природной средой. Поэтому предметом исследования в инженерной экологии является взаимодействие технологических и природных процессов в природно-промышленных системах. В то же время в более развитых странах подход к проблемам окружающей среды со стороны правительств гораздо более жесток: например, ужесточаются нормы содержания вредных веществ в выхлопных газах. Чтобы не потерять свою долю рынка в сложившихся условиях, компания Honda Motors установила под капот современный 32разрядный компьютер и озадачила его проблемой сохранения окружающей среды. Микропроцессорное управление системой зажигания – не новость, однако, похоже, впервые в истории автомобильной промышленности программно реализован приоритет чистоты выхлопа, а не выжимания лишних «лошадей» из мотора. Надо сказать, компьютер в очередной раз продемонстрировал свой интеллект, уже на промежуточном этапе снизив токсичность выхлопа на 70% и потеряв при этом всего 1,5% мощности двигателя. Вдохновленный результатом, коллектив инженеров и программистов начал экологическую оптимизацию всего, что хоть как-то такую оптимизацию в состоянии вынести. Электронный эколог под капотом бдительно следит за составом рабочей смеси, впрыскиваемой в цилиндры, и «в режиме реального времени» управляет процессом сгорания топлива. А если, несмотря на все старания, что-то в выхлопную трубу и проскочит, то наружу не выйдет: специальные датчики тут же сообщат об этом компьютеру, который, перенаправив коварную порцию выхлопа в специальный отсек, уничтожит ее там с помощью электричества. Разумеется, не забыли навесить на двигатель и специально разработанный каталитический дожигатель особой конструкции. Результат, как говорится, превзошел все ожидания: мощность двигателя снизилась совсем ненамного, экономичность не пострадала, а что касается выхлопа – забавно, но факт: процентное содержание в нем вредных веществ заметно меньше, чем в воздухе, которым дышат жители, например, центральных районов Лос-Анджелеса. В данной работе сделана попытка рассмотреть экологические проблемы при развитии промышленного производства.

158

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Следует также сказать, что общеэкономические реформы иногда приводят к непредвиденному ущербу для окружающей среды. Существование отжившей политики, несовершенство рынка и организационных структур где-либо в экономике могут непредусмотренным образом взаимодействовать с более общими экономическими реформами и создавать стимулы для чрезмерного использования природных ресурсов и деградации окружающей среды. Исправление такого положения обычно не требует отказа от первоначальной экономической политики. Вместо этого требуются определенные дополнительные меры, устраняющие несовершенство рынка, организационных структур или отжившую политику. Такие меры обычно не только благоприятно сказываются на окружающей среде, но и являются решающим компонентом успеха общеэкономических реформ. Охрана природы – задача нашего века, проблема, ставшая социальной. Чтобы в корне улучшить положение, понадобятся целенаправленные и продуманные действия. Ответственная и действенная политика по отношению к окружающей среде будет возможна лишь в том случае, если мы накопим надёжные данные о современном состоянии среды, обоснованные знания о взаимодействии важных экологических факторов, если разработает новые методы уменьшения и предотвращения вреда, наносимого природе человеком. Список литературы: 1. Закон Республики Беларусь «Об охране окружающей среды» // «Народная газета» – 15 января 1993 г. 2. Порядок начисления и внесения в бюджетные фонды охраны природы в 1998 г. (Утвержден ГКН РБ №02/62, Минприроды РБ №02-8/2528, Минфином РБ №17 от 22 июля 1998 г.). 3. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Основы экоразвития. Учебное пособие. – М.: Издательство Российской экономической академии им. Г.В. Плеханова, 1994. – 312 с. 4. Голуб А.А., Струкова Е.Б. Экономические методы управления природопользованием. – М.: Наука, 1993. – 136 с.

5. Неверов А.В. Экономика природопользования. Учебн. пособие для вузов. – Минск: Вышэйшая шклоа, 1990. –216 с. 6. Быстраков Ю.И., Колосов А.В. Экономика и экология. –М.: Агропромиздат, 1988. –204 с.

УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИИ В ЗУБЧАТЫХ МУФТАХ Польченко В.В., Аксенов А.С. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Зубчатые муфты, обладая несомненными достоинствами (компенсация несоосности валов, простота конструкции, передача значительных крутящих моментов и т.д.), имеют серьезный недостаток – малую долговечность по износу зубчатого венца. Одним из часто встречающихся видов износа является фреттинг-коррозия. Устранение или минимизация изнашивания при фреттинг-корозии обеспечит повышение долговечности зубчатых муфт 1. Этому вопросу посвящена данная работа. Зубчатая муфта общего назначения состоит из двух зубчатых зацеплений с передаточным отношением равным единице. При отсутствии погрешностей изготовления и монтажа в контакте одновременно находятся все зубья, и нагрузка между ними распределяется равномерно. Но практически этого не бывает, так как даже при соосных валах наблюдается перекос осей обоймы и втулки, обусловленный наличием боковых и радиальных зазоров между зубьями.

159

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Если на распределение зазоров между зубьями определяющее влияние оказывает угол перекоса осей обоймы и втулки, то при работе муфты в каждом зацеплении возникают две диаметрально противоположные контактные зоны, симметричные оси наибольших перекосов. Каждая пара зубьев последовательно проходит обе контактные зоны, причем в одной из них наблюдается цикл возвратно-поступательного скольжения рабочих поверхностей зубьев. Скорости относительного перемещения зубьев, обусловленные углом перекоса осей обоймы и втулки и частотой вращения муфты также имеют знакопеременных характер и для стандартных муфт лежат в пределах 0,2-1,0 м/с. Величина относительного перемещения (возвратно-поступательного) зависит от размеров муфты, точности изготовления зубчатого зацепления, угла перекоса осей обоймы и втулки и изменяется от 0 (при отсутствии погрешностей изготовления и монтажа) до 3,5 мм (для углов перекоса до 1,5о). Такая относительная скорость скольжения контактирующих зубьев не обеспечивает постоянного масляного клина, защищающего контакт зубьев при трении. При таких условиях работы зубьев на их рабочих поверхностях развивается разрушение, вызываемое фреттинг-коррозией, которая была установлена в результате исследования состояния поверхностного слоя зубьев. При проведении исследований применяли металлоструктурный анализ, изучали микрогеометрию поверхности трения и микротвердость поверхностных слоев, а также внешний вид поврежденных участков зубьев, что с достаточной точностью позволило установить ведущий вид разрушения – фреттинг-коррозию. Фреттинг-коррозия обладает рядом отличительных особенностей по сравнению с другими видами разрушения поверхностей. При трении сопряженных зубьев скорость относительного перемещения контактирующих поверхностей мала по сравнению со скоростями при обычном трении скольжения; малая амплитуда смещений затрудняет удаление продуктов износа из зоны контакта; процесс фреттингкоррозии отличается большой интенсивностью разрушения по сравнению с другими видами изнашивания поверхностей; продуктами фреттингкоррозии металлов являются, в основном, их окислы [2]. Интенсивность Рис. 1. Влияние амплитуды A на износ образца h при разрушения контактиР=890 МПа, n=560 мин-1, l=3x104 мм, сталь 45, НВ рующих поверхностей 197…205: 1-сухое трение; 2-со смазкой И-30 при фреттинг-коррозии зависит от ряда факторов: внешних механических воздействий, химической активности газовой среды, природы контактирующих материалов, свойств продуктов износа и т. д. Параметрами внешнего механического воздействия являются продолжительность нагружения, удельная нагрузка, амплитуда скольжения и частота колебаний. Они, в ос-

160

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

новном, определяют характер и интенсивность разрушения контактирующих металлических поверхностей при фреттинг-коррозии. Авторами исследовалось влияние амплитуд скольжения от 0,1 до 3,6 мм на интенсивность фреттинг-коррозии зубьев зубчатых муфт. Исследования проводились на специально спроектированной установке, моделирующей условия контактирования зубьев муфты. Эксперименты проводились в режиме граничного трения и в среде смазки «Индустриальное-30».Для оценки интенсивности разрушения поверхности в зависимости от величины скольжения линейный износ приводился к единице пути трения. Эксперименты проводились при пути скольжения равном 3х104 мм. Зависимость линейного износа h от амплитуды скольжения A представлена на рис.1. Из графика следует, что с уменьшением амплитуды скольжения линейный износ при трении со смазкой на всем диапазоне изменения амплитуды скольжения увеличивается. Иной характер изменения линейного износа при изменении амплитуды скольжения выявлен при трении без смазки. В этом случае зависимость линейного износа от амплитуды скольжения имеет максимум, который обнаружен при амплитудах близких к 1 мм. Полученную экспериментальную зависимость можно объяснить изменением условий кинетики разрушения и образования защитных пленок, причем решающим фактором, влияющим на величину износа, является время контакта поверхностей трения с внешней средой. Металловедческий анализ поверхностей трения показал, что с увеличением амплитуды скольжения (увеличением времени контактирования поверхностей трения с газовой и жидкой средой) процессы схватывания минимизируются и переходят в нормальный механо-химический износ. Это явление проявляется при значениях амплитуд близких к 2 мм. При уменьшении амплитуды скольжения (уменьшения времени контактирования поверхностей с газовой и жидкой средой) пленка окислов не успевает образоваться достаточной толщины, и на поверхностях трения остаются ювенильные поверхности, образовавшиеся от предыдущего цикла разрушения. При таких условиях процессы схватывания интенсифицируются при малых давлениях. Кроме того, при малых амплитудах скольжения затрудняется выход частиц износа из зоны трения, Рис. 2. Влияние частоты колебаний n на износ образкоторые оказывают абразив4 ца при А=2,5 мм, l=1,5x10 мм: 1-сухое трение, ное действие. Р=1035 МПа; 2-сухое трение, Р=890 МПа; 3-смазка В условиях трения с И-30, Р=1035 МПа; 4-смазка И-30, Р=890 МПа амплитудами близкими к 1,0мм при трении без смазки основным процессом является усталостное разрушение металла, сопровождающееся появлением значительного количества трещин и повыше-

161

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

нием химической активности поверхности трения. В этом случае износ осуществляется через механизм динамического окисления. Результаты эксперимента показывают, что уменьшение величины линейного износа зубьев зубчатых муфт может быть достигнуто выбором определенной амплитуды относительного скольжения. Идеальным случаем работы зубчатых муфт можно считать такой, когда отсутствует реверсивное трение скольжения. Второй путь уменьшения износа – это увеличение амплитуды относительного скольжения, при которой процессы схватывания минимизируются. Следует иметь в виду, что для каждого значения амплитуды существует определенное значение давления, при котором возникает схватывание. Увеличение амплитуды относительного скольжения достигается увеличением угла перекоса осей обоймы и втулки. При этом увеличивается путь трения для зуба втулки, что не всегда желательно. Влияние частоты колебаний на величину линейного износа исследовалось в диапазоне от 3 до 10 Гц при амплитуде 1,25 мм и постоянном пути трения 15103 мм в среде смазки «Индустриальное-30» и без смазки. Полученные экспериментальные зависимости представлены на рис.2. В диапазоне исследованных частот, износ увеличивается с увеличением частот колебаний при трении без смазки. При работе в среде смазки «Индустриальное-30» в области низких частот наблюдается больший износ, чем в области высоких частот. Увеличение износа при высоких частотах нагружения контакта в условиях сухого трения можно объяснить изменением скорости относительного перемещения зубьев и разупрочнения поверхности трения. По данным эксперимента изменение скорости на низких и высоких частотах составляет примерно 7 раз. Такое повышение скорости при высоких частотах приводит к повышению температуры поверхностного слоя. Это способствует увеличению поверхностной энергии образца, интенсификации диффузионных процессов и образованию пленок окислов большой толщины. При трении с высокими частотами было замечено обильное выделение продуктов износа, что косвенно подтверждает высказанное предположение. Металлографический анализ поверхностей трения показывает, что при высоких частотах происходит снижение микротвердости изнашиваемой поверхности. Снижение микротвердости объясняет интенсивный износ при высоких частотах возвратнопоступательного скольжения. В условиях трения со смазкой при низких частотах скорость относительного скольжения мала(0,4м с), что неблагоприятно сказывается на образовании масляного клина между трущимися поверхностями. Увеличение частоты колебаний увеличивает скорость относительного скольжения и способствует образованию жидкостной смазки на некоторых участках контактирующих зубьев. Этим положением объясняется уменьшение износа при высоких частотах колебаний. Проведенные исследования условий возникновения фреттинг-коррозии и ее интенсивности позволят на стадии конструирования, изготовления и эксплуатации управлять долговечность зубчатых муфт. 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. 4 - с. 131-135. 2. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев, 1970. 396 с.

162

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

МЕХАНИЗМ И ПАРАМЕТРЫ СВЕЧЕНИЙ НАД МАЛЫМИ ИСКУССТВЕННЫМИ СПУТНИКАМИ ЗЕМЛИ* Цымбалов Д.С. (ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, Россия) Значимость аэрокосмической техники ставит проблемы ее функциональности и надежности в ранг приоритетных направлений науки и техники. Предназначенные для длительной орбитальной работы в целях сбора ценной информации, искусственные спутниками Земли (ИСЗ) подвергаются оптическому экранированию со стороны приповерхностных свечений [1-3]. В результате требуются специальные меры для ослабления негативного влияния свечений на бортовые оптические системы. Выработка таких мер требует надежной идентификации излучающих агентов и механизмов их образования и/или возбуждения. Анализ экспериментальных данных, приведенных в обзорах [1-4] и появившихся в последние годы экспериментальных работах, позволил факторизовать зависимость яркости свечения над наветренными поверхностями ИСЗ от длины волны , угла атаки , высоты H и температуры поверхности Tw [5]. Уточнить расчет характеристик свечения над малыми ИСЗ можно, подобрав физико-химического механизма, обеспечивающий наблюдаемую радиационную кинетику. Отыскание реалистичного физико-химического механизма свечений над ИСЗ ставилось целью проведенных исследований. Установлено [1-4], что спектральный состав и пространственный масштаб свечения над малыми спутниками отвечает излучению колебательно-возбужденных частиц ОН(Х2П). Далее возможны два сценария образования возбужденных ОН(Х2П): 1) т.н. процесс Лэнгмюра – Хиншельвуда, в котором налетающие на поверхность атомы О адсорбируются поверхностью и мигрируют по ней некоторое время адс до вступления в реакцию, затем после образования горячие частицы ОН покидают поверхность КЛА и 2) процесс Или – Ридела, состоящий в непосредственном ударном реагировании налетающих частиц О с адсорбированными на поверхности молекулами Н2О. В обоих случаях продукт реакции существенно и неравновесно возбужден. Факт пропорциональности яркости и энергии торможения позволяет оценить энергию активации гетерогенного процесса О + Н2Оадс  ОН + ОН (I) на основе аррениусовской модели реакции. Требуется только заменить температурный фактор (тепловую энергию) – на энергетический фактор набегающего потока, т.е. считать, что скорость W реакции (I) связана с энергией торможения Ек зависимостью – / W ~ e EA Eк .

(1) Логарифмическое дифференцирование зависимости (1) и последующее приравнивание величины дlnW/дlnEк к единице (отражает экспериментальный факт прямой пропорциональности яркости свечения и энергии соударения) дает возможность оценить снизу энергию активации ЕА = Ек как ~ 5 эВ или 500 кДж/моль. Это значение примерно в семь раз больше, чем для аналогичной (1) реакции в газовой фазе. Различие объясняется упорядоченностью адсорбированных частиц Н2О в невыгодном для реакции направлении – атомами Н «под удар» набегающего потока атомов О. Эффективная «неупругость» столкновения, эквивалентная степени передачи поступательной энергии потока О в колебательные степени свободы Н2Оадс, оказывается в восемь раз (отноше*

Работа выполнена при поддержке Фонда ALCOA.

163

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

ние массы атомов кислорода и водорода) меньше. Иначе объяснить повышение энергии активации процесса (I) по сравнению с адиабатической газофазной реакцией между теми же реагентами – до уровня прочности связи О – НО можно, если предположить существенную неадиабатичность элементарного акта. Лимитирующей стадией такого процесса является отрыв водородного атома от адсорбированной молекулы воды; образующиеся в результате свободные атомы Н реагируют впоследствии с высокоэнергетичными атомами О без энергии активации. Вторая стадия протекает сравнительно быстро благодаря 1) высокой взаимной скорости реагентов, 2) их совершенной форме и 3) отсутствию у них внутренней колебательной структуры. Роль третьей частицы, гасящей избыточное возбуждение продукта, выполняют как поверхность аппарата, так и радиационная дезактивация ОН(Х2П). Угловая зависимость скорости процесса в этой постановке возникает из-за снижения вероятности соединения О и Н, а также вследствие интенсификации отвода избыточной энергии от образовавшейся горячей частицы ОН поверхности по мере увеличения угла атаки. Каждый из этих двух факторов примерно пропорционален косинусу угла атаки. Таким образом, предлагаемый двухстадийный механизм взаимодействия атмосферных частиц с поверхностью ИСЗ позволяет интерпретировать наблюдаемую экспериментально угловую зависимость яркости свечения. Теоретическое рассмотрение кинетики радиационной дезактивации ОН(Х2П), выполненный в данной работе на основе подходов и результатов численного эксперимента [4,5], позволило выразить интенсивность свечения посредством функции, аргументами которой служат перечисленные параметры, а областью работоспособности – диапазон (580 ≤  ≤ 4200 нм)  (0 ≤  ≤ 90 град)  (140 ≤ Н ≤ 280 км)  (170 ≤ Tw ≤ 470 К)  (2 кК ≤ T ≤ ). Полученная зависимость выражается формулой / .

/

-[

(

)r-(

/l (

) )r2] / [1 +

r]

 I = I(, r,T, , H, Tw) = S e-hc k e T e  T   e   3 . -0.141H + 0.000254H 2 + 1625/Tw  cos  e , Р/нм , (2) где  – разность колебательных квантовых чисел комбинирующих уровней; r – расстояние от поверхности КЛА; S – интегральная интенсивность свечения в секвенции 2 ; параметр -1/le()|T  0 ≤  ≤ le()|T  0 /2le()| T  0 отвечает степени колебательного возбуждения ОН(Х2П), а  = 1/le()|T  0 – величине, обратной временному масштабу радиационной релаксации ближайшей «накачивающей» секвенции . Значения параметров в (2) и зависимости  = () и  =  (T) сведены в табл. 1-2.

Таблица 1. Спектральное положение и интегральная сила секвенций ОН(Х2П) в излучении 1 2 3 3и4 4 5 6  2600-4200 1300-2000 930-1300 830-930 720-830 580-720 510-580 , нм 4.103 4.104 6.104 3.104 104 6.103 2.103 S, Р/нм Полученный результат в пределах 25 %-й погрешности согласуется как с экспериментом, так и с данными, полученными численным интегрированием уравнений квантовой радиационной кинетики [3]. Это обстоятельство является следствием универсальности механизма свечений над малыми ИСЗ.

164

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Таблица 2. Зависимость длины е-кратного ослабления яркости свечения от номера секвенции и степени колебательного возбуждения ОН(Х2П) Делегированный Квантовый инвариант le(), м  масштаб T   T = 20 кК T = 2 кК le(), м le()|T   – le()|T  0, м 1 37 35 24 13 24  37 2 17 14 11 6 22  28 3 11 8 6.5 4.5 19.5  33 4 6.5 5.5 4.4 2.1 17.6  26 5 5 3.4 3 2 15  25 6 3.5 3.0 2.7 – 16.2  21 При помощи соотношения (2) можно не только оценивать параметры свечения перспективных ИСЗ, но также разрабатывать и уточнять процедуры регистрации свечений для определения количественных характеристик реакции (I). Из него, в частности, следует важность экспериментального определения профилей типа изображенных на рис. 1 при различных высотах и прочих условиях полета. Полученные путем непосредственных измерений данные о зависимости I = I(, r, H) позволят уточнить количественную сторону процесса. Практически ценно, что предложенные модели пригодны для целенаправленного совершенствования техники орбитальных оптических измерений – как выбором надлежащих приборных единиц, так и средствами программной коррекции спектроскопических данных. Список литературы: 1. Гаррет Х.Б., Чатджян А., Гэбриэл С.Б. // Аэрокосмическая техника. 1989. № 10. С. 64-90. 2. Хантон Д.И. // В мире науки. 1990. № 1. С. 56-63.

3. Дорошенко В.М., Кудрявцев Н.Н., Мазяр О.А. и др. / Препринт ИВТАН № 8-340. М., 1992. 4. Дорошенко В.М., Кудрявцев Н.Н., Яценко О.В. // Журн. прикл. спектр. 1992. Т.

57. № 5-6. 5. Яценко О.В. // Полет. 2005. № 10. С. 19-23.

A NEW TYPE OF AL - SI - MG ALLOY WITH DIFFERENT CA CONTENT REGARDING STRUCTURE AND FLUIDITY Střihavková E., Weiss V. (The Department of Technology and Material Engineering, the Faculty of Production Technology and Management, J. E. Purkyně University in Ustí nad Labem, the Czech Republic). E-mail: strihavkova@fvtm.ujep.cz INTRODUCTION. An alloy AlSi7Mg0,3 is considered to be a classic representative of Al-Si alloys. The alloy is used for thin, extremely complex or medium-duty castings, it belongs to the class of hardening silumins which hardenability is guaranteed by Mg2Si eliminating phase [1]. Mechanical properties are not the same as those of Al-Si-Cu alloy type, but on the other hand, comparing with the alloys of this type, corrosion resistance is significantly improved. One of the possibilities how to improve mechanical properties can be rare alkaline earth metals application, which considerably reduces dendrite porosity [2]. Being under modi-

165

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

fied and hardened condition the alloy reaches tensile strength of 200 MPa. Strength properties of Al-Si-Mg silumin alloy can be positively influenced by vaccination, which provides grain softening, when we can reach the value approaching 300MPa. A lot of research projects have been focused on aluminium alloys modifying. However, until now the modification mechanism has not been known exactly and has not been analysed in detail. The modification effect among Al-Si alloys for all eleFig. 1. Casting spirals for Curry fluidity test ments of groups IA and IIA in the periodic table of elements (alkali metals and alkaline earth metals) is demonstrated, but the only modification of sodium, strontium and antimony has practical importance. The elements added as the modifier, which include calcium, are used less often and their influence on Al-Si modification is currently investigated [3]. Some researches consider calcium as a modifier; other researches take it as a harmful element because of its modification properties.

In the past calcium was used for binding impurities in aluminium alloys, although the results were not stable. Calcium was also offered to improve electrical conductivity of commercial aluminium.

EXPERIMENT METHODOLOGY. For experimental purposes aluminum alloy from the group of hypereutectic AlSi7Mg0,3 silumins was used. It is a ternary alloy with the initial chemical composition as listed in Table 1. Alloying was carried out using calcium in the form of master alloy AlCa10. There was a total of 4 cast melts. The first one was without the addition of master alloys AlCa10 and the other three were with graded amounts of calcium (0,1%, 0,5% and 1% Ca).

Fig. 2. The microstructure of alloys AlSi7Mg0,3 without the addition of Ca (200x magnification to the left) alloy microstructure AlSI7Mg0,3 with added amount of calcium 0.1% Ca (200x magnification to the right)

166

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Fig. 3. The microstructure of alloys AlSi7Mg0,3 with added amount of calcium 0,5% Ca (500x magnification to the left) alloy microstructure AlSI7Mg0,3 with added amount of calcium 1% Ca (500x magnification to the right) 2.1. Fluidity testing for different types of alloys Alloy fluidity is the ability to fill the form perfectly; it depends on the ratio between the alloy flow speed and its cooling speed. Fluidity test was performed on the shortened Curry spiral. The form was made of sand mixture used by the company Unitherm Ltd. from Jablonec nad Nisou (this company is engaged into the production of standard aluminum alloy castings in sand molds). There was silica sand material, betonies cement, coal powder and 3,5% water. The melt for the experiments was prepared from AlSi7Mg0,3 material, which contained 0%, 0,1%, 0,5% and 1% Ca. Melting took place in a graphite crucible in electrical furnace PEK-1 under 750 °C. After melting the treated melt was always refined from salt, and skimming was removed from the melt surface.

After temperature measurement, 720 °C melt was casted into a casting mold with the shortest delay. The casting time which did not exceed 5 seconds was kept. In the Picture 1 there are casting spirals and in the Table 2 there are Curry spiral measured values for each alloy.

2.2. Structural analysis of different alloy types Metallographic thin sections were prepared to evaluate the microstructure of AlSi7Mg0,3Ca (0%, 0,1%, 0,5% and 1% Ca) alloy casting. The microstructure of the prepared casts was analyzed using black and white metallography after etching phosphoric acid H3PO4 during 7 minutes and applying colour contrast method after etching potassium permanganate solution in alkaline medium of sodium hydroxide. These prepared samples were observed by the means of laser confocal microscope Olympus LEXT OLS 3100.

The original microstructure of hypereutectic unmodified silumin alloy is constituted by α-phase grains and eutectic silicon formed by eutectic silicon plates in decomposed solid solution α, which appear as dark grey needles in metallographic sections (Fig. 2, to the left).

The amount of calcium contained in the second melt was 0,1% Ca. A substantial modification effect of calcium on the resulting structure is noticed. The structure shows rounded Si particles of granular or elongated shapes (Fig. 2, to the right). On the whole, it is very fine-grained structure.

167

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Fig. 4. Image AlSi7Mg0,3 alloy microstructure, with added amount of calcium 0,5 % Ca with marked locations for analysis

Fig. 5: Image AlSi7Mg0,3 alloy microstructure, with added amount of calcium 1 % Ca with marked locations for analysis The amount of calcium added to the third cast was 0,5% Ca. The increase in porosity in the shape of local clusters and the presence of granular particles of eutectic silicon is evident. The separate coarse dark needles (spatial plates) of intermetallic compounds are also noticed in the structure (Fig. 3, to the left).

The amount of calcium contained in the last fourth melt was 1,0% Ca. The local appearance of coarsen eutectic silicon particles (Fig. 3, to the right) and further increase in the appearance of intermetallic compounds in the form of dark needles are observed in the analysed microstructure. In the terms of research sources [2] intermetallic compound CaSi2 and other intermetallic compounds have been still unidentified compositions, they are analyzed below in EDX spot analysis.

2.3. EDX spot analysis of the intermetallic phases containing calcium The cast samples containing 0,5% calcium and 1% Ca were studied in the view of EDX spot analysis in order to determine the chemical composition of different intermetallic phases containing calcium.

168

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Table 1. Entrance chemical composition of alloys AlSi7Mg0,3 Alloy

AlSi7Mg0,3

Si 7,09

Fe 0,105

B <0,0001

Be <0,0000

Chemical composition in % by weight Cu Mn Mg Cr Ni 0,001 0,017 0,230 0,001 0,001 Chemicke slozeni in % by weight Ca Cd Ga Li Na <0,0002 0,0036 0,0131 <0,0000 0,0004

Zn 0,003

Ti 0,118

V 0,0031

Hlinik <92,41

Table 2. Curry spiral measured values for each alloy AlSi Alloy AlSi7Mg0,3

A = 0% Ca 80,1

Curry spiral values [cm] B = 0,1% Ca C = 0,5% Ca 70,0 88

D = 1,0% Ca 93

Table 3. Results of chemical analysis of the spectra of alloys AlSi7Mg0, 3 with added amount of calcium 0,5 % Ca Sp.

Mg

Al

Si

Ca

Mn

Fe

Total

Sp.

Mg

Al

Si

Ca

Mn

Fe

Total

1

0,21

55,76

33,41

10,36

0,01

0,01

100,00

1

0,20

72,96

24,71

2,09

0,00

0,05

100,00

2

0,20

48,75

33,85

8,32

0,70

8,18

100,00

2

0,16

51,80

47,93

0,06

0,02

0,04

100,00

3

0,25

92,37

6,33

0,00

0,02

0,04

100,00

4

0,19

68,65

31,17

-0,02

0,02

-0,01

100,00

5

0,18

63,93

35,89

0,02

-0,02

-0,01

100,00

6

0,23

81,76

17,98

0,01

0,02

0,01

100,00

0,10 -0,01

0,01 0,02

-0,01 0,01

100,00 100,00

3

0,22

97,48

1,79

0,40

0,02

0,09

100,00

4

0,21

82,50

17,23

0,03

0,00

0,02

100,00

5

0,47

97,98

1,51

0,01

0,03

0,00

100,00

6

0,24

97,87

1,91

-0,02

0,02

100,00

7

0,05

11,69

88,30

-0,10

0,03 0,01

0,05

100,00

7 8

0,22 0,27

76,80 98,37

22,97 1,34

8

0,27

60,85

25,29

10,20

0,27

3,12

100,00

Max.

0,28

98,38

47,93

2,09

0,02

0,05

Max.

0,47

97,98

88,30

10,60

0,70

8,18

Min.

0,16

51,80

1,34

-0,02

-0,04

-0,01

Min.

0,05

11,69

1,51

-0,10

0,00

O

0,22

78,41

21,11

0,24

0,00

0,02

O

0,23

69,11

25,41

3,68

0,03 0,13

1,44

On the basis of spot analysis results (Tab. 3 and Tab. 4) and with the help of stechiometric ratios calculations, separate morphologically diverse intermetallic phases containing calcium in the form of long fine needles CaAl6Si4 (Fig. 4) and coarse sharp particles of irregular geometric shapes CaAl2Si4 and CaAl2Si3 (Pic. 5), which showed the expected presence of various intermetallic phases with calcium observed in a scanning microscope and by a carried out EDX spot analysis, were examined.

The presence of phosphorus, which is higher due to the application of refining and salt and phosphorus covering, is apparent among some spectra.

CONCLUSIONS. On the basis of experiments studying the fluidity of an aluminum alloy which belongs to the group of hypereutectic AlSi7Mg0,3 silumin alloys it can be stated that by the means of adding calcium to the alloy it is possible to improve fluidity.

After comparison the castings without the addition of calcium and with addition of 0,5% and 1% Ca an integrated upward trend in calcium influence on the alloy fluidity was demonstrated.

The length of castings without the addition of Ca and with 0,5% Ca is about 8cm longer, and after further addition of 1% Ca the length increases at about 5 cm, so it can be stated that the addition of calcium has a positive impact on the alloy fluidity. The process error came during the casting with calcium 0,1%, since it is necessary to follow certain requirements which can effect fluidity and in-

169

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

clude mold temperature, cast alloy surface, which helps to lose heat, hardening time interval, alloy fluidity speed and the form’s property to reduce heat.

Table 4. Results of chemical analysis of the spectra of alloys AlSi7Mg0, 3 with added amount of calcium 1 % Ca Sp.

Mg

Al

Si

Ca

1

28,81

48,90

2

29,29

3

P

Total

Sp.

Mg

Al

Si

Ca

P

Ni

Fe

Total

22,29

100,00

1

0,06

29,40

45,75

23,67

1,04

0,05

0,01

100,00

48,17

22,54

100,00

2

0,07

31,87

42,64

25,01

0,35

0,01

0,06

100,00

28,17

49,19

22,08

0,56

100,00

3

0,05

25,95

50,76

22,20

1,07

0,01

-0,04

100,00

4

20,07

62,72

16,59

0,62

100,00

4

0,02

26,83

49,40

23,11

0,54

0,10

0,00

100,00

5

23,88

55,70

19,56

0,86

100,00

5

0,04

27,29

48,90

22,65

1,13

0,01

-0,01

100,00

0,65

100,00

6

0,65

80,11

18,12

0,45

0,68

-0,02

0,01

100,00

Max.

0,65

80,11

50,76

25,01

1,13

0,10

0,06

100,00

Min.

0,02

25,95

18,12

0,45

0,35

-0,02

-0,04

100,00

O

0,15

36,91

42,59

19,52

0,80

0,03

0,01

100,00

6

0,24

25,15

57,48

16,45

7

0,25

68,50

19,67

11,57

100,00

47,39

41,87

10,74

100,00

50,80

29,78

15,99

35,19

41,69

23,12

8 9

2,54

10 11

0,38

98,21

1,41

100,00

12.

0,34

33,63

41,77

24,26

Max.

2,54

98,21

62,72

24,26

0,86

100,00

Min.

0,25

20,07

1,41

10,74

0,56

100,00

100,00

The evaluation of the observed structural analysis of individual types of alloys revealed significant structural heterogeneity in the distribution and coarsen tabular particles of intermetallic phases on the edges of type CaSi2 dendrites. Picture 2 shows that after adding the minimum amount of calcium, there is a modification of the structure and after the addition of 0,1% Ca the original structure consisted of α-phase dendrites and eutectic silicon plates is very fine-grained. With further addition of Ca the amount of gas is increasing and it stimulates porosity growth and appearance of coarsen particle of irregular geometric shape on the edge of dendrites and intermetallic compounds of CaSi2 types in the form of dark needles.

With the help of EDX spot analysis and spot values calculated using the stechiometric ratio for each intermetallic phase with calcium, it can be stated about these phase types that: 1. From the morphological point of view, among alloys containing 0,5% calcium (Fig.4) there is the presence of long fine needles of intermetallic phases with the stechiometric composition of calcium CaAl6Si4.

2. According to stechiometric ratio and in terms of morphology, among alloys containing 1% calcium (Fig.5) the presence of two types of intermetallic phases with calcium can be observed: a.) dark long fine needles which reveal stechiometric CaAl2Si4 composition, b.) coarse sharp particles of irregular geometric shapes which reveal stechiometric CaAl2Si3 composition.

References: 1. Lukáč, I., Grutková, J.: Vlastnosti a štruktúra neželezných kovov II, Alfa 1975. 2. Bolibruchova, D., Tillova, E.: Zlievarenske zliatiny Al-Si, ZU v Ziline – EDIS, 2005, ISBN 80-8070-485-6. 3. Mondolfo, L.F.: Aluminium Alloys, Structure and Properties, Butterworths, London 1979.

170

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ АВТОМАТИЗАЦИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ Крива В.В., Рыбинская Т.А. ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ ........................................... 3 Кульбида О.О., Ищенко А.Л., Орехович М.А. МОДЕЛИРОВАНИЕ СБОРОЧНЫХ СИСТЕМ В РАМКАХ ТЕОРИИ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ...........................................9 Понамарёва Е.А., Кульбида О.О. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ И НЕОБХОДИМОСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ СБОРКИ, КАК КРИТЕРИЕВ ПРИ ВЫБОРЕ СПОСОБА ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ........................................................13 Чокнадий И. В., Буленков Е. А. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ МНОГОНОМЕНКЛАТУРНЫХ РОТОРНЫХ ЛИНИЙ ...............................................16 Шконда П.А., Рыбинская Т.А., Шаповалов Р.Г. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ ...........................................................................................19 ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Билищук К.А., Ищенко А.Л. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВЯЗКИ КРУГА ПРИ ШЛИФОВАНИИ СТАЛИ ГАДФИЛЬДА ..............................................24 Лахин А.М., Михайлов А.Н., Тархов М.А. ОСОБЕННОСТИ НАНЕСЕНИЯ ВАКУУМНЫХ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ЭЛЕМЕНТЫ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС НА БАЗЕ ФУНКЦИОНАЛЬНООРИЕНТИРОВАННОГО ПОДХОДА ..........................................................................28 Меркулов М.В., Чегаев А.К. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ КОМБИНИРОВАННОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНООРИЕНТИРОВАННОЙ ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТЧИКОВ .......................32 Мирошниченко О.А., Горобец И.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛЕСНО-РЕЕЧНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ БСП .....................................34

171

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г.

Михайлов А.Н., Михайлова Е.А., Соосар В.А. НОВЫЙ КЛАСС ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ТЕХНОЛОГИЙ – ФУНКЦИОНАЛЬНООРИЕНТИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ .....................................................................37 Михайлова Е.А., Михайлов А.Н., Мазур И.Ю. К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НАНЕСЕНИЯ ВАКУУМНЫХ ИОННОПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ИНСТУМЕНТЫ ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ.......................................................................................40 Пономаренко А.А. СТРУКТУРНОЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ОПЕРАЦИЙ ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОАППАРАТУРЫ ........................................................................43 Полуянович Н.К., Соловьёв М.А. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА АВТОМОБИЛЯ.......................48 Попов А.С., Рыбинская Т.А. ПЛАСТМАССОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ.............................................................................52 Пугачёв А.Д. ТЕХНОЛОГИЯ СИНТЕЗА И ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА...............55 Соловьёв С.Ю., Медведев В.В. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ .............................................................59 Таровик А.Б., Михайлов А.Н. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ .......................62 Тока А., Стынгач И., Рушика И. К ВОПРОСУ О КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ........................................................................66 ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Андрикевич В.В., Авлиекулов Ж.С., Овчинников Е.В., Кравченко В.И., Авдейчик С.В. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КОНСТРУКЦИЙ С ПОВЫШЕННОЙ ВИБРОАКТИВНОСТЬЮ ...........................................................71

172

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г.

Бутенко В.И., Кочергина О.И. КОМПЬЮТЕРНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ.....................................................75 Захарченко А.Д., Бокий И.А. КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ПЛАСТИНАХ С ОТВЕРСТИЕМ .................79 Ладоша Е.Н., Пугачев А.Д., Цымбалов Д.С. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ СО2-ЛАЗЕРА С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ ..............................................82 Масюков И. И., Борзов Д.Б., Соколова Ю.В. ПОДХОД К ОБЕСПЕЧЕНИЮ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ В МУЛЬТИКОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМАХ ............................................................84 Миронов Д.А., Борзов Д.Б. ВОЗМОЖНОСТИ РАСПАРАЛЛЕЛИВАНИЯ ПРОГРАММ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КОМПИЛЯЦИИ ДЛЯ МНОГОЯДЕРНЫХ ПРОЦЕССОРОВ ....86 Николаев В.В., Рыбинская Т.А., Шаповалов Р.Г. ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ QNX................................87 Полуянович Н.К., Соловьёв М.А. ПРОЕКТИРОВАНИЕВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ СИСТЕМЫКОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА АВТОМОБИЛЯ........................91 Пугачев А.Д., Цымбалов Д.С. АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОЗОНОВОЙ ДЫРЫ, ВОЗНИКАЮЩЕЙ ПРИ ЗАПУСКЕ ЖИДКОТОПЛИВНОЙ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ...........................................................94 Сидорова Е.В., Соосар В.А. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОИЗВОЛЬНОГО ПОДХОДА ЛАГРАНЖА-ЭЙЛЕРА ПРИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ SIMULIA / ABAQUS ................96 Шабаев О. Е., Толстов М. В. ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ БУРОВОЙ КОЛОНКИ ПРОХОДЧЕСКО-АНКЕРОВАЛЬНОГО КОМБАЙНА КПА ДЛЯ ИНТЕНСИВНОЙ ПРОХОДКИ...................................................................99 Шушанов Г.И., Шаповалов Р.Г., Рыбинская Т.А. БОРТОВОЙ КОМПЬЮТЕР АВТОМОБИЛЯ ..............................................................105 Adamczyk J., Dzitkowski T., Dymarek A., Kaliński W. ACTIVE SYNTHESIS OF FIXED MACHINE DRIVE SYSTEMS AS A TOOL FOR REDUCTION VIBRATION .............................................................107

173

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г.

ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ Астапенков Р.Г., Голубов Н.В. ТЕНДЕНЦИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СМАЗЫВАЮЩЕОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ (СОЖ) НА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ.......................................................111 Бутенко В.И., Бойко А.С. ВОДОСТРУЙНАЯ РЕЗКА МАТЕРИАЛОВ ................................................................115 Зайцева І.Ю., Івченко Т.Г. ВИЗНАЧЕННЯ ТЕМПЕРАТУРИ РІЗАННЯ ПІД ЧАС ПОДАЧІ ОХОЛОДЖУЮЧОГО СЕРЕДОВИЩА В ЗОНУ РІЗАННЯ РОЗПИЛЕННЯМ .........................................................................................118 Ильина А. А., Ивченко Т.Г. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ПРИ СВЕРЛЕНИИ ПО КРИТЕРИЮ МАКСИМАЛЬНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ..........................121 Король К. О., Ивченко Т.Г. МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ НА ОСНОВЕ МУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ СВЕРТКИ КРИТЕРИЕВ .........................124 Пашинин А.В., Чернышев Е.А. РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ВИБРАЦИИ ПРИ ТОЧЕНИИ .......................................129 Шабаев О.Е., Тыртычный С.В. ОБОСНОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО УРОВНЯ ИЗНОСА РЕЗЦОВОГО ИНСТРУМЕНТА ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА КПД ........................................132 ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ Бутенко В.И., Костюков А.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ БАЛАНСИРОВКИ РОТОРОВ .............................138 Галкин Н.В., Рыбинская Т.А. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ УДОВЛЕТВОРЕНИЯ ПОТРЕБНОСТЕЙ АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ. РОЛЬ МАТЕРИАЛОВ В СОВРЕМЕННОМ АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ ................140 Козлов К.Г., Рыбинская Т.А. УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ .................................................144 Максименко М.В. Рыбинская Т.А., Шаповалов Р.Г. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИ ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ .................149

174

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г.

Меркулов М.В., Сухинин Е.С. ОБЩАЯ МЕТОДИКА И ПОДХОД ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ НА БАЗЕ КОМБИНИРОВАННОЙ ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ И ФОП .............152 Погромский И.В., Рыбинская Т.А. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО И КАЧЕСТВО ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ............................................................................................156 Польченко В.В., Аксенов А.С. УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИИ В ЗУБЧАТЫХ МУФТАХ .............................................................................................159 Цымбалов Д.С. МЕХАНИЗМ И ПАРАМЕТРЫ СВЕЧЕНИЙ НАД МАЛЫМИ ИСКУССТВЕННЫМИ СПУТНИКАМИ ЗЕМЛИ .......................................................163 Střihavková E., Weiss V. A NEW TYPE OF AL - SI - MG ALLOY WITH DIFFERENT CA CONTENT REGARDING STRUCTURE AND FLUIDITY…………165

175

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г.

ПРАВИЛА представления рукописей в студенческий научно-технический журнал «Инженер» Донецкий национальный технический университет с 2000 г. выпускает студенческий научно-технический журнал «Инженер» (свидетельство о госрегистрации ДЦ №1550 от 30.03.2000г. выдано Донецким областным комитетом информации). Журнал « Инженер» ориентирован на публикацию научных работ студентов, магистрантов, стажеров, молодых специалистов, делающих первые шаги в научной деятельности. Публикация в журнале позволит им 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. 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, немецкий. Данный журнал распространяется по ведущим библиотекам Украины и стран СНГ.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

ОСНОВНАЯ ТЕМАТИКА ЖУРНАЛА Создание и применение прогрессивных технологий и технологических систем. Нетрадиционные технологии. Информационные технологии. Механизация и автоматизация производственных процессов. Управление качеством, метрология, сертификация. Вопросы экономической теории и практики. Моделирование и расчеты сложных технических систем. 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). Публикация статей в данном сборнике платная и стоимость 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. 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 ФИО авторов), без НДС;  для авторов из стран СНГ (рубли): Получатель: ПРИВАТБАНК, г. Днепропетровск, Украина. Счет в банке получателя: 30231810000000158100. Банк получателя: МКБ “МОСКОМПРИВАТБАНК”, г. Москва, ИНН 7713003871.127299. БИК 044585342, к/с 30101810400000000342. Назначение платежа: Для ЧП “Технополис” на счет 26009185655003, идентификационный код 30206251, за опубликование статьи (указываются ФИО авторов), 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: 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 участие ... (указываются Ф.И.О. участника) в конференции в г. Севастополе”.

176

ИНЖЕНЕР, № 13, 2012 г.

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЕНИЮ 1. Текст рукописи статьи от 3 до 7 полных страниц на белой бумаге формата А4 (210х297 мм) с полями: верхнее и нижнее 30 мм, левое и правое 25 мм. Страницы не нумеровать (нумерацию выполнить карандашом в нижем 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: 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.

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, опубликованы не будут. Образец оформления материалов: ОСНОВЫ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА СБОРОЧНЫХ СИСТЕМ Иванов И.И., Петров П.П. (кафедра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, Украина) Сборочные системы являются сложными иерархическими системами. Одним из условий [1] повышения производительности … сборочных технологических систем (рис. 5). 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. Приглашаем к сотрудничеству в качестве авторов нашего журнала.

177