ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Гутиря Сергій Семенович

УДК 621.001.2:621.833

СИСТЕМНА ОЦІНКА ТЕХНІЧНОГО РІВНЯ

І УПРАВЛІННЯ ЯКІСТЮ ПЕРЕДАЧ ЗАЧЕПЛЕННЯМ

ПРИ ПРОЕКТУВАННІ

Спеціальність 05.02.02 – машинознавство

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Одеса – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському національному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант заслужений діяч науки України, доктор технічних наук, професор Заблонський Костянтин Іванович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри теоретичної механіки і машинознавства.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Грібанов Віктор Михайлович, Східноукраїнський національний університет, завідувач кафедри прикладної математики,

доктор технічних наук, професор Кіріченко Анатолій Федорович, Національний технічний університет України "Харківський політехнічний інститут", професор кафедри нарисної геометрії та комп'ютерної графіки,

доктор технічних наук, професор Олійник Микола Васильович, Одеський державний морський університет, завідувач кафедри теорії механізмів, машин й деталей машин.

Провідна установа Інститут машин і систем НАН України, м.Харків.

Захист відбудеться 04.04.2002р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.02 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м.Одеса, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м.Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий 01.03.2002р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, професор Оборський Г.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зубчасті і черв'ячні передачі зачепленням (ПЗ) незамінні у складі машин і технічних систем різного призначення, оскільки мають високий потенціал розвитку за рахунок освоєної промисловістю різноманітності видів і встановлених наукою резервів удосконалення основних службових властивостей.

Дослідженню показників інтенсивності службових властивостей ПЗ на різних рівнях моделювання та впровадженню їх у практику проектування і виробництва присвячені фундаментальні розробки відомих вчених: Літвіна Ф.Л., Рєшетова Д.М., Вулгакова Е.Б., Єріхова М.Л., Петрусєвича А.І., Заблонського К.І., Гапонова В.С., Кудрявцева В.М., Державця Ю.А., Айрапетова Е.Л., Дроздова Ю.М., Матвієвського Р.М., Снесарєва Г.А., Зака П.С., Niemann G., Block H., Winter H., Hohn B.-R., Linke H., Henriot G., Kubo A. та ін., що створили необхідну інформаційну базу для подальшого вдосконалення механічного приводу. Розвитку нових методів моделювання геометрії, деформативності та напруженості структурних компонентів ПЗ (з урахуванням впливу конструктивних, технологічних і експлуатаційних факторів), що орієнтовані на використання у складі САПР, присвячені сучасні дослідження Гольфарба В.І., Шевельової Т.І., Щокіна Б.М., Тєрєхова О.С., Косарєва О.І., Брагіна В.В., Грібанова В.М., Кіріченка А.Ф., Кучми Ю.В., Істоміна С.М., Rockwood W.B., Prabhu M.S., Su D., Miloiu G. та ін. Встановлено, що для забезпечення ефективності оптимального проектування і САПР конкурентоспроможних конструкцій ПЗ істотне значення має проблема багатокритеріального оцінювання проектних рішень, що суттєво ускладнюється численною множиною зв'язків між параметрами стану подібних технічних систем і різноманітними ознаками їх якості, відсутністю методів об'єктивного визначення вагомості різнорідних складових цільової функції якості виробу. Практика субоптимізації компонентів ПЗ за ознаками ККД, питомої маси, габаритів, відносної вартості, трудомісткості та ін. свідчить про недостатню інформативність окремих критеріїв якості, їх статистичну неоднорідність та часову неслушність, що перешкоджає технічному удосконаленню конструкцій на ранніх стадіях проектування.

Розробці сучасних методів оцінки технічного рівня і прогнозування конкурентоспроможності об'єктів нової техніки присвячені дослідження провідних вчених України, СНД і дальнього зарубіжжя: Продіуса І.П., Тимченка А.А., Дабагяна А.В., Зенкіна А.С., Куцина А.М., Арпентьєва Б.М., Фролова К.В., Сергеєва В.І., Нахапетяна Є.Г., Глічева О.В., Бойцова В.В., Азгальдова Г.Г., Андрейчікова О.В., Андріянова Ю.М., Субетто О.І., Хвастунова Р.М., Alexander F.J., Nelson J.R., Saviotti P.P., Knight K.E. та ін. Характерними обмеженнями, що стримують широке впровадження запропонованих методів в інженерну практику, є недостатні обсяги статистичних даних, неконтрольованість точності рішень, що базуються на експертній інформації, відсутність єдиного універсального підходу до побудови математичних моделей, які відображають послідовно–ітераційний процес проектування багатокомпонентних виробів системної складності.

Дана дисертаційна робота, що спрямована на вирішення проблеми високоінформативної, об'єктивної оцінки технічного рівня і управління якістю ПЗ при проектуванні, є актуальною для розвитку машинознавства і має важливе практичне значення для вітчизняного машинобудування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до державної науково-технічної програми “Підвищення надійності і довговічності машин та конструкцій”, урядової програми “Україна – 2010” (проект 4 – “Технологічне і технічне оновлення виробництва”), координаційного плану держбюджетних НДР Міністерства освіти і науки України, планами госпдоговірних НДР Одеського національного політехнічного університету за замовленнями АП “Будгідравліка”, м. Одеса (№ДР 80021363), ВАТ “Червона Гвардія”, м. Одеса (№№ДР 01823041188, 01850037834) і ВАТ “АвтоКрАЗ”, м. Кременчук (№ДР 79029327).

Мета і задачі дослідження. Мета дисертації – розробка теоретичних основ оцінювання технічного рівня передач зачепленням та формалізація технологій управління якістю їх проектування заради запобігання виробництву неконкурентоспроможних конструкцій.

Багатокритеріальність об'єкта дослідження – процесу управління якістю виробів системної складності і багатофакторність проблеми встановлення технічного рівня ПЗ при проектуванні, що складає предмет дослідження, обумовлюють необхідність розв'язання наступного комплексу наукових задач: –

розробка теорії системного оцінювання технічного рівня виробів машинобудування на основі багаторівневого чисельного відображення множини фізично-інформативних ознак якості аналогічних конструкцій;–

формування необхідної і достатньої номенклатури показників службових властивостей силових ПЗ на основі дослідження множини ознак якості їх структурних компонентів та встановлення обгрунтованих норм відповідних кваліметричних показників;–

розробка універсальної кваліметричної моделі, що відображає технічну досконалість альтернативних проектів, обгрунтування її адекватності предмету дослідження за цілями вимірювання, повнотою врахування множини ознак якості, за точністю розрахунків, об'єктивністю результатів та іншими критеріями;–

побудова математичної моделі трендів технічного удосконалення конструкцій ПЗ у складі типорозмірних рядів механізмів і машин;–

удосконалення методології управління якістю при проектуванні структурних компонентів ПЗ (елементів зачеплення, валів, опор, корпуса, систем мащення і охолодження) на основі кваліметричних моделей;–

практична апробація основних теоретичних положень і оцінка ефективності методик кваліметричного аналізу та синтезу ПЗ на прикладах сучасних конструкцій приводів вітчизняного та зарубіжного виробництва.

Методи проведення досліджень. Для розробки основ теорії системного оцінювання технічного рівня ПЗ використано методологію функціонально-структурного аналізу та імітаційного моделювання технічних систем, фундаментальні положення аксіоматичної теорії відображення якості і кваліметричних шкал. При формуванні множини ознак якості ПЗ та їх структурних компонентів, побудові логістичної моделі трендів технічного вдосконалення агрегатних ПЗ використано математичний апарат векторного числення, перевірки статистичних гіпотез і дисперсійного аналізу. Обгрунтування адекватності і реалізація розробленої кваліметричної моделі ПЗ пов'язані з використанням теорій алгебраїчних систем і графів, методів матричного числення і статистичних випробувань. Теоретичне дослідження напружено-деформованого стану корпусу ПЗ виконано методом скінченних елементів (МСЕ) із застосуванням програмного комплексу PASSAD; для стендових і експлуатаційних випробувань дослідних зразків редукторів використано метод тензометрування. Принцип кваліметричної подібності ПЗ обгрунтовано методами теорії узагальнених змінних; обробку результатів обчислень, статистичних і експериментальних випробувань виконано методами теорії імовірностей і кореляційного аналізу із застосуванням програмного комплексу MATLAB 5.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше розроблено метод встановлення критеріального показника технічного рівня ПЗ в єдиному системному базисі внутрішніх (структурних) і зовнішніх (функціональних) службових властивостей широкого класу конструкцій механічних приводів і трансмісій.

Подальший розвиток отримала аксіоматика проектної кваліметрії, що забезпечує функціонально–структурну цілістність механічної системи, об'єктивність і ієрархічність відображення, фізичну інформативність і часову слушність показників якості ПЗ.

Вперше запропоновано універсальну багаторівневу інформаційну модель відображення інтенсивності службових властивостей ПЗ у вигляді неоднорідної системи лінійних алгебраїчних рівнянь, що дозволяє уникнути суб'єктивного призначення вагових коєфіцієнтів дискретно розширюваної множини показників якості сучасної і нової техніки.

Удосконалено методологію управління якістю структурних компонентів ПЗ (елементів зачеплення, валів, опор, корпуса, систем мащення і охолодження) при проектуванні шляхом встановлення цільових значень певних показників якості методом ітераційних приростів критеріального показника технічного рівня усієї конструкції.

Вперше статистично обгрунтовано логістичну модель трендів технічного розвитку редукторів ЗПП, що дозволяє зменшити ризик проектування неконкурентоспроможних конструкцій.

Удосконалено експериментально-аналітичний метод дослідження пружної адаптивності ПЗ фактичної точності у діапазоні екплуатаційних навантажень, що використовує системний критерій жорсткості конструкції – показник нерівномірності розподілу навантаження вдовж контактних ліній.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено методику розрахунків показників інтенсивності службових властивостей ПЗ типової структури, що підвищує ефективність управління технічним рівнем у процесі системного проектування і модернізації агрегатних та вбудованих конструкцій механічного привода. Методика орієнтована на модульне інтегрування до структур САПР, оснащена необхідним програмним комплексом для ПЕОМ, впроваджена при проектуванні зубчастих та черв'ячних редукторів і рекомендована для галузевого використання Українським інститутом кранобудування.

Комплекс технічних рішень, що захищений двома авторськими свідоцтвами на винаходи і забезпечує підвищення можливостей навантаження, надійності при експлуатації та зниження шуму механізмів з ПЗ, впроваджено при проектуванні і виробництві тягової лебідки автомобіля КрАЗ – Е260С, приводів пересування баштових кранів ПК-6,3 і шахтної лебідки 1ЛШВ виробництва ВАТ “Червона Гвардія”, здвоєних гідронасосів 223.25 виробництва АП “Будгідравліка”, вантажних автомобільних лебідок 6971-307, 6474-307, 6474-308 виробництва ВАТ “КРАЯН”, м.Одеса.

Результати спільних з кубинськими аспірантами і інженерами досліджень кваліметричних показників редукторних ПЗ, приводів промислових роботів, осей колесних пар та підшипників кочення залізничного транспорту впроваджено у довідкові та навчальні посібники Міністерства освіти Республіки Куба.

Особистий внесок здобувача. Результати теоретичних і експериментальних досліджень, що подані до захисту, отримані автором особисто і в цілому викладені в роботах, опублікованих одноосібно [3-13, 26-28, 34, 35]. У спільних розробках здобувачу належить обгрунтування методології досліджень, формування розрахункових і математичних моделей, узагальнення теоретичних положень і результатів експериментів [14-25, 29, 30, 32, 33, 37, 38, 41]. Збирання статистичної інформації, опрацювання і аналіз результатів досліджень, розробка обчислювальних алгоритмів, проектно-конструкторської документації і практичних рекомендацій для промислового впровадження виконані сумісно. За участю співавторів розв'язано низку теоретичних і практичних задач, що не увійшли безпосередньо в дисертаційну роботу, але суттєво розширюють галузь застосування запропонованих методів і розрахункових алгоритмів [1, 2, 31, 36, 39, 40].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідалися на: Другому Всесоюзному з'їзді з теорії механізмів і машин (Одеса, 1982р.); республіканській науково-технічній конференції з проблем будівництва і машинобудування (Нальчик, 1982р.); науковому семінарі з проблем теорії і практики передач зачепленням при Технічному університеті м.Дрезден (НДР, 1983р.); Всесоюзній науково-технічній конференції “Підвищення ресурсу вузлів тертя, що працюють в екстремальних умовах” (Пермь, 1986р.); науково-технічній конференції “Проблеми міцності, надійності, металоємкості зубчастих передач і редукторів” (Севастополь, 1986р.); Другій республіканській конференції випускників радянських вузів (Матансас, Р. Куба, 1989р.); республіканській конференції “CAD/CAM і робототехніка” (Санта-Клара, Р. Куба, 1990р.); науково-технічній конференції фахівців Мінвузу Республіки Куба (Гавана, 1989р.); республіканській науково-технічній конференції “Створення ресурсозберігаючих машин і технологій” (Могільов, Бєларусь, 1996р.); міжнародних конференціях “Теорія і практика зубчастих передач” (Іжевськ, Росія, 1996р., 1998р.), “Micro CAD” (Мішкольц, Угорщина, 1997р., 1998р.), “Сучасні проблеми машинознавства” (Гомель, Бєларусь, 1996р., 1998р.); VI-ому міжнародному симпозіумі з теорії реальних передач зачепленням (Курган, Росія, 1997р.) і 5-ому міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків (Львів, 2001р.); міжнародних науково-технічних конференціях “Фізичні і комп'ютерні технології у народному господарстві” (Харків, 2000 р., 2001 р.), “Situation and perspective of research and development in chemical and mechanical industry” (Крушевац, Югославія, 2001р.).

Дисертацію розглянуто і схвалено на розширеному засіданні кафедри теоретичної механіки і машинознавства Одеського національного політехнічного університету від 14 червня 2001р. за участю провідних фахівців Одеського регіону в галузі проектування і виробництва механічних приводів.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 46 наукових праць, в тому числі 20 статей у наукових журналах і збірниках наукових праць, 17 доповідей і тез доповідей на науково-технічних конференціях, з'їздах, симпозіумах, 2 авторських свідоцтва, 2 довідкові і навчальні посібники (іспанською мовою), 5 звітів з НДР. Основні положення дисертації викладено у 41 публікації, з яких 16 написані без співавторів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з переліку умовних позначень, вступу, п'яти розділів з висновками по кожному, загальних висновків, списку використаних джерел із 206 найменувань та 5 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 392 сторінки, включаючи 123 ілюстрації, 17 таблиць, список використаних джерел і додатки на 123 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У розділі 1 наведено огляд літератури з теми дисертації, сформульовано її мету і задачі. Виконано аналіз характеристик призначення і ринкового попиту на різноманітні конструкції ПЗ та компонентів вектора Q(Y), що використовуються для оцінки якості і оптимізації проектних рішень (рис. 1). Підкреслено багатопараметричний, багатокритеріальний та багаторівневий зміст проблеми відображення і управління технічною досконалістю аналогічних виробів. З огляду досліджень у відносно новому для машинознавства науковому напрямку – кваліметричному, встановлено, що розв'язання вказаної проблеми стримується відсутністю загальновизнаної універсальної теорії відображення якісних властивостей технічних об'єктів системної складності, недостатньою інформативністю окремих компонентів вектора Q(Y), тісною залежністю від відомостей про прогресивні аналоги, нестабільністю склада вектора ознак якості Y(R) внаслідок прискорених темпів оновлення продукції машинобудування та загострення нецінової конкуренції.

Ефективність багатокритеріальної оптимізації механізмів в n-вимірному просторі Qn(Y) у значній мірі залежить від обраного функціоналу згортання показників Q(Y) в критеріальний показник U(Q,) та експертно установленого вектора вагових коефіцієнтів =(1, 2, ..., n), що потребує періодичної корекції. Розроблені Держстандартом СРСР у 1980-87 рр. методики оцінки якості та відповідні карти технічного рівня промислових виробів саме тому не отримали широкого впровадження у практику проектування ПЗ, що їм притаманна неконтрольована суб'єктивність результатів. Не менш важливим для моделей ПЗ довгострокового застосування є забезпечення часової слушності критерія U(Q), що практично неможливо гарантувати на основі тільки вартістних показників якості через їх статистичну неоднорідність і потребує переважного використання фізично-інформативних ознак технічної досконалості виробів. Об'єктивна необхідність сертифікації продукції машинобудування для сприяння її конкурентноспроможності на зарубіжних ринках має гостру потребу у розвиненому кваліметричному забезпеченні етапу розробки, яке для складних виробів зручно формувати за модульним (покомпонентним) принципом.

Обгрунтованість віднесення ПЗ до технічних систем підтверджена наявністю таких властивостей: кінематичною цілісністю механізму та його фізичної структури, що складається з окремих взаємодіючих компонентів; постійним трансформаторним зв'язком між компонентами; сталістю фізичної структури і внутрішніх міжкомпонентних зв'язків; інтегративністю. Остання властивість означає, що усі службові якості ПЗ (кінематична і навантажувальна здатності, енергетична ефективність, надійність та ін.) системно залежать від параметрів взаємодіючих компонентів і повністю не визначаються жодним з них окремо. Саме тому оцінка технічного рівня ПЗ не є композицією оцінок окремих службових властивостей і потребує системного відображення.

Структура – інваріантний аспект системи, її формальним відображенням прийнято граф, вершини якого відповідають компонентам системи, а дуги – зв'язкам між ними. Фізичні структури типових ПЗ належать до ієрархічного типу і мають не менш двох внутрішніх рівнів моделювання: 0-й рівень – ПЗ як механізм; 1-й рівень – системні компоненти (зубчасті колеса, вали, опори та ін.). В той час, як дворівневий структурний склад ПЗ практично не змінюється, номенклатура характерних ознак їх якості {Y} за останні 20 років суттєво поновилася, що обумовлює експоненціальне розширення множини зв'язків і зменшує ефективність структурно-функціонального моделювання альтернативних проектів. Запропоновано моделювати множини показників {Q}={q1, q2, …, qn} і відношень між ними , як єдину інформаційну систему, а її подальший розвиток базувати на принципі функціонально-кібернетичної еквівалентності, згідно з яким чим більше число n, тим більше альтитуда моделі, з поглибленням якої вужчає множина відношень .

У розділі 2 на основі системного кібернетичного підходу розроблено теорію формування і відображення множини {Y} на числову вісь. Теорія включає комплекс з шести взаємопов'язаних і несуперечливих аксіом та трьох принципів, що забезпечують необхідну формалізацію абстрактного процесу оцінювання проектів шляхом встановлення вимог до цілей проектування і показників їх реалізації, до функцій упорядкованості fh і згортання fs показників Q(Y) в єдиний критеріальний показник U(Q) (рис. 2).

Визначення технічного рівня конструкції ПЗ припускає наявність безпосередньо неспостережуваної, але об'єктивної інформаційної характеристики досконалості проекта, що має бути інваріантна методу її побудови. Аксіоматично обумовлено, що оцінки і порівнюваних аналогів можна вважати істинними, якщо

const , (1)

де m – кількість альтернативних моделей.

Отже, якщо розроблені моделі адекватно відображають об'єкт дослідження, то

, (2)

де ?k, вk > 0 – масштабні коефіцієнти k-ої моделі.

Кваліметричну модель ПЗ визначено як інформаційну систему у вигляді кінцевої множини символів і правил оперування ними у сукупності з інтерпретацією функціональних і структурних службових властивостей виробу через вектор ознак якості Y(R) та відношення fh, fs. На основі аналізу діючих міжнародних і вітчизняних стандартів, що регламентують проектування, виготовлення, контроль і експлуатацію ПЗ, встановлено необхідну і достатню номенклатуру функціональних властивостей типових конструкцій, а відповідні групові показники зображено у вигляді вершин графа (рис. 3), прообразами яких є одиничні показники Q(Y), що пов'язані нечіткою множиною відношень {}.

Для наданої схематично композиції відношень найбільш адекватною є структура у вигляді багаторівневої оболонки, яка відрізняється тим, що показники кожного рівня не зводяться до сукупності показників інших рівней (рис. 4, а). На кожному рівні можна враховувати нові службові властивості ПЗ, що притаманні системі в цілому і відображаються також при вірогідному перетині повних прообразів групових показників згідно із співвідношенням

. (3)

Запропонована структура дозволяє узгодити задану кількість m службових властивостей ПЗ, необхідну альтитуду lM моделі і достатню потужність n множини кваліметричних показників . Найпростіша, канонічна форма структури відповідає умовам lM = m; n =, а її розгортка на площину “властивості – альтитуда”, незалежно від напряму розгортання, має форму трикутної (mґm) – матриці елементів множини {Q} (рис. 4, б). При фіксованій величині m, в міру того, як росте внутрішня альтитуда моделі, звужується множина взаємозв'язків між показниками одного рівня. Із застосуванням випуклої комбінації показників у вигляді лінійної нормованої адитивної форми оператора згортання

U = fs(q1,q2,…,qi,…,qn) = лiqi ? 0 qi = 0 (4)

до кожного рядку матриці [Q] одержана неоднорідна система лінійних рівнянь

, (5)

де U – системний показник технічного рівня ПЗ, величина якого інваріантна рівням кваліметричної моделі.

Оскільки кожний рядок системи (5) відрізняється від інших тільки складом кваліметричних показників тієї ж самої конструкції ПЗ, то його можна вважати альтернативною моделлю задачі, що розв'язується, і для забезпечення істинності оцінки U=U(Q), згідно з аксіомою (1), достатньо довести, що даній системі притаманна єдиність розв'язку. Система (5), що містить m+1 невідомих величин, зведена до визначеної за допомогою нормуючого рівняння лk =1 і отримала такий вигляд:

. (6)

Єдиність розв'язку системи (6) забезпечується, коли детермінант її матриці лінійного відображення det[M]?0, що відповідає умові лінійної незалежності стовпців і потребує встановлення відношення суворої упорядкованості елементів кожного стовпця. Остання умова дозволяє не тільки забезпечити визначеність результатів моделювання, але й спрощує формування інформаційної бази даних, якщо керуватись наступним принципом.

Множина ознак якості, що характеризує певну властивість технічної системи, внаслідок упорядкованого відображення fh утворює множину з k кваліметричних показників, які підпорядковані умові

qi > qi+1, (7)

де i – рівень стратифікації цієї властивості в процесі системного проектування.

Адекватність запропонованого принципу підтверджується практикою формування таких властивостей ПЗ як навантажувальна здатність, енергетична ефективність, надійність, віброакустична стійкість та ін., інтенсивність яких зменшується у напрямку від рівня моделювання елементів зачеплення до механізма в цілому. В результаті статистичних випробувань доведено сталість рішень кваліметричної моделі (6) за умови, що .

Відомі алгоритми рішення задач векторної оптимізації при наявності обмежень (методи можливих напрямків, штрафних функцій, пошуку на основі ЛПt - послідовностей та ін.) обгрунтовано для випуклих функцій, до яких належить і форма (4). Припускаючи, що множина параметрів стану , які впливають на технічний рівень конструкції ПЗ, є замкненою, випуклою і непорожньою, можливо визначити оптимальний за Парето вектор U(Q) виходячи з умови максимума зваженної суми (4). Опрацьовано ітераційний алгоритм визначення найбільш ефективних напрямів підвищення системного показника U до цільового значення Uextr з використанням вектора (?1, л2, ..., лm, Uextr)Т і поверхонь рівнів елементів матриці [Q] (рис. 5).

У розділі 3, виходячи з досліджень критеріїв граничних станів, що відносяться як до передачі в цілому, так і до її найбільш напружених компонентів, встановлена необхідна інформаційна база для кваліметричного відображення кожної з m службових властивостей ПЗ у вигляді координатних функцій вектора R(Z,X).

На основі гіперболічної функції thy = (e2y-1)/(e2y+1), що відображає зниження рівня переваги будь-якої ознаки якості yi із ростом її значення, для нормування різноманітних фізичних шкал елементів множини {Y} у діапазоні [0,1;1] запропоновано такі рівняння:

при відображенні без зміни інгредієнта

qi = 0,1 + 1,18th[(yi – yi- )/(yi+ - yi- )]; (8)

зі зміною інгредієнта на протилежний

qi = 1 - 1,18th[(yi – yi- )/(yi+ - yi- )],

де yi-, yi+ - відповідно нижня і верхня межі діапазону зміни певної ознаки.

Необхідну повноту моделі (6) і ненадмірність бази даних гарантовано квантифікацією цілей проектування до рівня відображення певними кваліметричними показниками, об'єктивним критерієм для відбору яких є кількість інформації , що визначається за рівняннями

(9)

де ; - гранична абсолютна похибка оцінки ознаки .

Зокрема, для відображення навантажувальної здатності ПЗ, що обмежена нагріванням і руйнуванням мастильного шару в контакті елементів зачеплення, поряд з іншими ознаками, використано критичну температуру мастила ?кр згідно з теорією Блока-Ієгера, значення якої встановлюють експериментально на роликових машинах або зразкових ПЗ за умов граничного тертя в зачепленні (таблиця).

Відмічено, що синтетичні мастила на основі полігліколей мають вужчий від мінеральних діапазон і підвищені значення ?кр, більш стабільну в'язкісно-температурну характеристику, тривалу термоокислювальну стійкість і механічну міцність. Їх ресурс вище у п'ять і більше разів, що компенсує високу вартість. Адекватний кваліметричний показник відображено рівняннями

(10)

Обов'язковою умовою високого технічного рівня ПЗ є наявність термодинамічної рівноваги між теплом, що генерується і розсіюється на такому рівні, який гарантує не перевищення значення ?кр при нормативній експлуатації. Відповідну ознаку якості конструкцій редукторів з повітряним охолодженням відображено рівнянням

y21 = ЩK/(1-з)Pвх = (KфДф)-1, (11)

де ЩK – площа поверхні корпуса, що обдувається повітрям; Kф – інтегральний коефіцієнт тепловіддачі; Дф – температурний напір; з – механічний ККД, що враховує втрати потужності DРвх через: тертя в зачепленні, підшипниках, ущільненнях, перемішування мастила та ін.; Рвх – потужність, що передається.

Вибіркові значення запропонованої ознаки (рис. 6) свідчать про суттєво відмінну теплову напруженість конструкцій – аналогів і вказують на ефективність інтенсифікації режиму охолодження для забезпечення стану термодинамічної рівноваги (позначено точками) у більш широкому діапазоні міжосьових відстаней aw.

Ефективність кваліметричного проектування ПЗ потребує узгодження із стандартами ISO серії 9000, що передбачають обов'язкову екологічну експертизу проектів виробів машинобудування, яку досі методично не регламентовано. Обгрунтовано ознаку екологічності ПЗ, що відображає вплив аналогічних механізмів на навколишнє середовище, як за входом (через показник використання ресурсів Qпвр), так і за виходом (у відповідності до пріоритету зниження габаритів або маси машини) згідно з рівняннями

(12)

де QПВР = бзLh*(mУ – Дm1 – Дm2)/(LhmУ - Lh*ДmУ); KV(Km) – коефіцієнти співвідношення сумарного об'єму (маси) багатоступінчатої ПЗ та відповідних параметрів VZ, mZ її тихохідного ступеня; Lh(Lh*) – нормативна (фактична) довговічність ПЗ; Tвих – обертальний момент навантаження на виході ПЗ;

КК – кратність заміни мастильних матеріалів за період припрацювання і нормативної експлуатації; mУ, ДmУ - маси відповідно ПЗ, запасних частин та витрачених матеріалів за час експлуатації; Дm1, Дm2 - маси матеріалів, що не утилізуються, та безповоротні втрати матеріалів за період життєвого циклу ПЗ.

Значне розсіяння фізичних параметрів, що впливають на процеси тертя і теплообміну, обумовлює необхідність імовірнісних розрахунків надійності ПЗ за критерієм

(13)

де ?В, фlim – стала температура мастила у картері редуктора і відповідне граничне значення; с(...) – ф?нкція щільності розподілу відповідної величини; ФL – табульована функція Лапласа.

В результаті вибіркового аналізу надійності зубчастих і черв'ячних редукторів ЗПП з урахуванням їх статистичної недовантаженості в експлуатації (показник ? ? 0,75) підтверджено обмежуючий характер ознаки y38 = pф для технічного рівня більшості конструкцій, що перевершує вплив традиційних ознак надійності pH і pF (рис.7).

Із використанням характерних параметрів граничних станів системних компонентів ПЗ, що наведені в діючих нормативах з проектування, встановлено допустимі діапазони існування фізично-інформативних ознак якості і відповідні рівняння для показників , що забезпечують необхідну повноту бази даних і узгодженість методик кваліметричного проектування з оптимізуючими алгоритмами САПР.

У розділі 4, виходячи з відношень еквівалентності між окремими кваліметричними показниками службових властивостей ПЗ та їх структурних компонентів, досліджено резерви підвищення технічного рівня конструкцій шляхом системного проектування деталей, що відрізняються надмірними запасами міцності. Розроблено кваліметричну модель корпусних деталей ПЗ у вигляді орграфа, множина вершин якого складається з одиничних qi.j.k, групових qi.j, комплексних та системного U(Q) показників (рис.8).

Наявність взаємозв'язків всередині підмножин , які характеризують певні службові властивості ПЗ і відповідають вершинам суграфів, обумовлена значеннями вибіркових коефіцієнтів рангової кореляції Кендала . Зокрема, за статистичними даними виробництва корпусів зубчастих і глобоідних редукторів для показника технологічності обгрунтовано рівняння

, (14)

де ; ; ; ; – зведений габарит корпусу (lґbґh – відповідні розміри по зовнішньому контуру); бC – ознака конструктивно-технологічної складності деталі, що визначена відповідним рівнянням регресії; – серійність виробництва; індекс “0” відповідає значенням для базового аналога.

Для розрахунків показника U згідно з моделлю (6) одержані рівняння

(15)

Високий рівень уніфікації корпусних деталей сучасних редукторів, відображений показником q1.3.1, призводить до погіршення показників металоємкості q1.1 або віброакустики q3.2 у разі недостатньо обгрунтованих форм корпусу, розмірів і положень елементів підкріплення. Вибірковий аналіз фактичних значень товщини стінок ? корпусів редукторів ЗПП вказує на існуючі можливості локального варіювання нею у 1,6...2,2 рази для рознімних конструкцій і в 1,3...1,7 рази для монолітних, при цьому більші резерви для управління технічним рівнем ПЗ мають конструкції з відносно широкими зубчастими колесами.

Дослідження надійності методом реєстрації і аналізу відмов редукторів-аналогів різних фірм, що використовувались у промисловості Республіки Куба в період 1988-90 рр., дозволили обгрунтувати експоненційний закон розподілу і постійну інтенсивність раптових відмов ?t = const корпусних деталей, що не залежить від терміну експлуатації. Комплексний кваліметричний показник відображено рівнянням

, (16)

де - нормативне значення технічного ресурсу редуктора.

Для обгрунтування показної ознаки міцності і відповідного показника досліджено напружено-деформований стан на поверхнях корпусу методом скінченних елементів із застосуванням програми PASSAD. Конструкцію апроксимовано 219 плоскими і 10 ізопараметричними елементами, що утворили нерегулярну тривимірну структуру (рис.9, а).

Верифікацію МСЕ-моделі забезпечено тензометруванням натурного зразка (рис. 9,б). Встановлено, що найбільш деформуються приливки опор тихохідного вала, а найбільш напруженими є ділянки стінок корпусу, які межують з опорами і лапами кріплення до фундаменту. Розрахункові коефіцієнти безпеки за критеріями статичної міцності та згинної витривалості стінок відповідно становлять ?ВО[18;25] і ? –1О[5;13], що підтверджує наявність резервів для управління технічним рівнем редукторів при системному проектуванні корпусних деталей. Показною ознакою міцності корпусів визнано коефіцієнт безпеки за критерієм згинної витривалості лап кріплення, нормативні значення якого доцільно обмежити діапазоном .

На базі теорії рамних систем та балок визначено функціональні взаємозв'язки між деформаціями найбільш пружних елементів корпусних деталей, запропоновано аналітичні рішення, що спрощують кваліметричний аналіз і суттєво розширюють можливості системного проектування подібних конструкцій за критерієм жорсткості . На прикладі порожнистих валів сумісно з підшипниками кочення опрацьовано методику умовної оптимізації характерних параметрів системи з урахуванням впливу на роботоздатність спряжених структурних компонентів ПЗ.

В умовах експоненційного зростання витрат на виготовлення ПЗ підвищеної точності перспективним є пошук рішень, що забезпечують самовстановлення активних поверхонь елементів зачеплення під дією нормативних навантажень. Методом зведення ланок кінематичного ланцюга одноступінчатої ПЗ типової структури визначено інтегральний коефіцієнт жорсткості у вигляді

, (17)

де n – загальна кількість зведених компонентів із жорсткістю сi.

Для кваліметричного аналіза балансу жорсткості ПЗ запроваджено відносні показники , які відображено параметричними функціями єлементів множини {R}і визначено статистично усереднені діапазони їх реалізації в редукторах ЗПП. За умов обмеженої точності виготовлення структурних компонентів ПЗ, щільність і нерозривність контакту в евольвентному зачепленні можливо забезпечити зниженням жорсткості зубців та ободів коліс, або підвищенням жорсткості валів, опор і корпусу, що відповідає умові

, (18)

де ; H/(ммЧмкм) – питома торцева жорсткість пари зубчастих коліс, запроваджена сучасними нормативами проектування.

Ефективному зменшенню габаритів, питомої маси, вібрацій та шуму механізмів з ПЗ сприяє виконання умови (18) на найнижчому рівні значень показників , що відповідає досягненню меж міцності зубців підвищеної висоти і тонких ободів коліс. Розроблено методики розрахункового і експериментального визначення характеристик пружної адаптації елементів зачеплення випадковому прояву певної похибки контакту в діапазоні нормативних навантажень, що надає можливість управління технічним рівнем ПЗ за ознакою жорсткості.

Виконано дослідження наявних резервів інтенсифікації режимів повітряного охолодження в черв'ячних редукторах вітчизняного та зарубіжного виробництва за ознакою (11). Розроблено проект модернізації та розширення параметричного ряду глобоїдних редукторів 1.Чг, що відрізняється підвищенням навантажувальної здатності і безвідмовності на 18...35% за рахунок штучного повітряного охолодження, оптимальних параметрів модифікації зачеплення і стабілізації осьового положення черв'яка завдяки термопружним конструкціям підшипникових вузлів, використання якісних мастил.

У розділі 5 досліджено етапи системного проектування ПЗ і складові частини відповідного кваліметричного забезпечення, до яких належать:

·

· методологія і алгоритми моделювання множини граничних станів ПЗ в абстрактному просторі ознак якості, що дозволяють встановлювати міру наближення кожної з ознак до обгрунтованої верхньої межі supyi;

· принцип кваліметричної подібності ПЗ, що забезпечує об'єктивність класифікації однорідних конструкцій за технічним рівнем, а також можливість безумовної оптимізації проектних рішень методами функціонального аналізу.

Логіку стійкого циклічного розвитку ПЗ, як структурних компонентів нової техніки, наочно відображає неперервна просторова спіраль С (рис. 10), що містить відрізки прискореного технічного вдосконалення (стрибки якості ый) та відрізки уповільнення, обумовлені подоланням чергового бар'єру Бj+1 на шляху розвитку.

Розгортка Л на площині yi(t)ґt відповідає логістичній функції m-го порядку

(19)

де ; – параметри, що визначають за статистичними даними.

Необхідними умовами надійного прогнозування тренду певної ознаки якості є монотонність функції yi(t) та слушність відповідних точкових оцінок. Із використанням статистичних даних за період 1950-90рр. для редукторів ЗПП за ознакою питомої маси обгрунтовано можливість спрощення рівняння (19) при m = 1 до вигляду

, (20)

де t' – модельний рік найдосконалішої із серійних конструкцій, що відповідає нижній межі області прогнозу (див. рис. 10, б).

Величину sup(mУ/TВИХ) визначають за рівнянням

sup (mУ/TВИХ)=[1 – ( mУ/TВИХ)'](lnt+c), (21)

де сталу с = 1 – lnt' і значення (mУ/TВИХ)' встановлюють у точці .

Підтверджено сповільнення темпів зниження ознаки для серійних конструкцій редукторів ЗПП до рівня спрогнозованих за рівняннями (20) і (21) стаціонарних значень, що відповідають сідловим точкам у 2005...2010рр. (рис. 11).

Фізичні процеси, що супроводжують виготовлення та функціонування елементів зачеплення, утворюють об'єктивну наукову основу для моделювання варіацій параметрів проекту ПЗ, в результаті яких відбувається якісна зміна його технічного рівня в просторах та . Якісні стани ПЗ не рівноцінні для можливостей технічного вдосконалення проекту, що потребує встановлення певних відношень між елементами множини , де підмножина включає такі стани, що забезпечують необхідний технічний рівень конструкції, а підмножина – усі інші стани.

Дослідження якісних станів ПЗ ускладнюється не тільки значним розміром простору (наприклад, для циліндричного евольвентного зачеплення число n>20), але й необхідністю варіювати різнорідними компонентами векторів Z, X структурних і управляючих параметрів проектування (як правило, k + m > 50), що призводить до практичної неосяжності результатів. Більш ефективним є дослідження у просторі , який дозволяє, у разі цільової квантифікації кваліметричних показників, значно скоротити розмірність n, чим суттєво спростити наступні задачі системного проектування. Моделювання підмножини станів виконано за розробленим алгоритмом, що виключає отримання неконструктивних варіантів лімітуючого ступеня ПЗ (рис. 12). На основі сучасних програмних комплексів для геометричних і міцнісних розрахунків ПЗ та редукторів конструктору пропонується два можливі напрямки синтезу: від елементів зачеплення до механізму в цілому (знизу – догори); від базового прототипу конструкції до обмежуючих її технічний рівень компонентів (зверху – донизу).

В результаті цільової квантифікації множини показників {Q} (зверху – донизу) забезпечують найбільш повне врахування вимог ТЗ, а при моделюванні якісних станів лімітуючих елементів зачеплення перевіряють принципову можливість їх сумісної реалізації.

Обгрунтовано принцип кваліметричної подібності проектів, що відповідає незмінності значень безрозмірних комплексів B1,…,Bn-k, утворених з n параметрів проектування, які є суттєвими для певних фізично-інформативних ознак якості ПЗ (k = n – кількість основних одиниць виміру, що їх містять розмірності параметрів). На основі теорії узагальнених змінних розроблені критеріальні рівняння кваліметричної подібності альтернативних проектів зубчастих і черв'ячних циліндричних ПЗ, що значно спрощують функціональний аналіз і управління вектором ознак якості Y(R). Геометричний образ множини проектних рішень відповідає поверхням у просторі критеріїв B1,…,Bn-k, де можна виділити декілька підмножин (квалітетів технічного рівня) і відрізняти їх за значеннями верхньої і нижньої меж. Враховуючи існуючі обмеження кінематичної і навантажувальної здатностей кваліметрично подібних ПЗ за різними критеріями, встановлено умовні межі квалітетів K1,…,K4, (рис. 13), що вказують можливі напрямки підвищення технічного рівня конструкції.

Зокрема, застосування внутрішнього зачеплення замість зовнішнього для тихохідного ступеня дає суттєвий ефект лише при u > 3,0 і mn > 6,0 мм, а при u<2,5 навіть дещо знижує досягнутий технічний рівень за ознакою . Для випадків, коли області квалітетів не мають чіткого розмежування розроблено імовірнісний метод класифікації із застосуванням формул Бейеса.

Опрацьовані методи кваліметричного моделювання використано при проектуванні спеціального редуктора тягової лебідки автомобіля КрАЗ-Е260С, для якої роботоздатність прототипу з черв'ячною циліндричною ПЗ обмежена нагріванням мастила у картері вище граничного значення температури С за період 1…1,5 безперервних циклів підтягування замість 3 циклів за умов ТЗ. Вихідною ціллю Ц системного проектування прийнято підвищення технічного рівня конструкції не менш, ніж на 20% при параметричних обмеженнях, що обумовлені досягнутим рівнем ознак якості прототипу. Із порівняння альтернативних рішень (рис. 14) випливає перевага глобоїдної модифікованої ПЗ за шістьма ознаками якості і відставання за двома (Sf, Sa), що відображають міцність зубців колеса при перевантаженні, а також інтенсивному зношуванні у режимах граничного тертя.

За результатами квантифікації цілі Ц до рівней, що забезпечують можливість її виміру, сформовано граф, вершини якого відображають певні етапи кваліметричного аналізу та синтезу ПЗ (рис. 15, а):

Ц1 - оцінити навантажувальну здатність редуктора;

Ц 2 - оцінити надійність за критерієм відсутності перегріву мастила;

Ц 3 - оцінити ресурсоємкість і компактність конструкції;

Ц 1.1 - оцінити термічну потужність редуктора;

Ц 1.2 - оцінити міцність елементів зачеплення;

Ц 2.1 - підвищити параметричну надійність редуктора до значення ;

Ц 3.1 - забезпечити рівень ознаки кг/НЧм;

Ц 1.1.1 - підвищити ККД зачеплення не менш, ніж на 15%;

Ц 1.2.1 - покращити ознаку розподілу навантаження у зачепленні не менш, ніж на 30%.

Діаграма відповідних показників (рис. 15, б) вказує на наявні резерви для підвищення технічного рівня конструкції за рахунок системно поєднаних показників надійності, стійкості до зчіплення і розподілу навантаження в зачепленні. Для досягнення обгрунтованих цільових значень показників q11, q20, q38 і встановлення оптимального усередені Паретової множини поєднання кінематичних, геометричних, міцносних, пружних і технологічних параметрів конструкції редуктора виконано комплекс теоретичних і експериментальних досліджень, включаючи натурні випробування дослідних зразків лебідок у складі автомобіля. За результатами досліджень, що підтвердили цільове підвищення технічного рівня редуктора, конструкцію передано до серійного виробництва.

ВИСНОВКИ

1. Для створення конкурентоспроможних конструкцій приводів і трансмісій на основі передач зачепленням (ПЗ), що мають широке і стійке застосування в машинобудуванні, визначальним є етап системного проектування і встановлення напрямків підвищення технічного рівня виробів. Існуючі методи регламентації номенклатури показників якості, встановлення їх значень і пріоритетності для споживача не забезпечують універсальність застосовування, об'єктивність оцінок і досягнення необхідних цілей, внаслідок відсутності теоретично обгрунтованих методів чисельного відображення багаторівневої фізичної структури формування якості об'єктів сучасної і нової техніки.

2. Вирішено актуальну для машинознавства і приводобудування науково-технічну проблему: розроблено теорію оцінювання технічної досконалості і управління якістю альтернативних проектів ПЗ на основі системного відображення множини фізично-інформативних кваліметричних показників {Q}. Теорія включає такі складові:

·