НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ДУБОВИК ВІКТОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 621.787.4

ПІДВИЩЕННЯ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ ТА ДОВГОВІЧНОСТІ КОРПУСНИХ ДЕТАЛЕЙ З АЛЮМІНІЄВИХ СПЛАВІВ ШЛЯХОМ УПРАВЛІННЯ ВНУТРІШНІМИ НАПРУЖЕННЯМИ

Спеціальність 05.02.02. – Машинознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Експлуатація та ремонт машин”

Кіровоградського національного технічного університету, Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Кулєшков Юрій Володимирович, Кіровоградський національний технічний університет, доцент кафедри експлуатація та ремонт машин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Сторожев Валентин Павлович, Одеський національний морський університет, професор кафедри судноремонт

доктор технічних наук, професор

Зенкін Анатолій Семенович, Київський національний університет технологій та дизайну, завідуючий кафедри метрології стандартизації та сертифікації

Провідна установа: Хмельницький національний університет, Міністерство освіти і науки України, м. Хмельницький

Захист відбудеться “ 14 ” квітня 2005 р. о 15 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.002.10 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 02025, м. Київ-25, вул. Володимирська, 7 корпус 25, ауд. №10.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “ 13 ” березня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.А. Ковальов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Актуальність теми. Підвищення якості і надійності машин та їх елементів є однією з важливих та першочергових задач сучасного етапу розвитку вітчизняного машинобудування. Ця проблема може вирішуватися тільки на основі комплексного підходу, який включає як створення нових матеріалів так і розробку та освоєння ефективних методів зміцнення та підвищення працездатності.В умовах зростаючої навантаженості роботи машин, пов’язаної зі збільшенням потужностей, швидкостей, тиску, а також з підвищеними вимогами до точності їх роботи, питання підвищення працездатності та довговічності набувають виключно важливого значення. На поновлення працездатності машин затрачуються значні матеріальні і трудові ресурси. Це пояснюється недостатньою надійністю спряжень та деталей машин, які зміцнені традиційними методами термічної та хіміко-термічної обробки. Тому, для підвищення працездатності машин вирішальне значення має вдосконалення процесів зміцнення їх деталей.

Працездатність та довговічність машин, від поліграфічних, транспортних до вугільнодобувних і сільськогосподарських у значній мірі залежать від технічного стану та показників роботи їх елементів - спряжень і деталей, зокрема корпусних деталей. Корпусні деталі піддаються навантаженням різного характеру та витримують тимчасові перевантаження в умовах експлуатації. Тому актуальними та важливими при оцінці роботи деталей типу корпус є такі чинники як працездатність і довговічність. Одними з найбільш навантажених корпусних деталей машин з алюмінієвих сплавів є такі деталі, як блок циліндрів, головка блоку циліндрів двигунів внутрішнього згорання, корпуси гідронасосів, гідродвигунів та гідротрансмісій, тощо. Типовим представником деталей цього класу є корпус шестеренного насосу, котрий застосовується в гідравлічних системах машин від поліграфічної, вугільнодобувної, авіаційної до сільськогосподарської промисловості. Корпус є однією з основних деталей, що визначає працездатність та довговічність всього насоса в цілому. Подальше зростання технічних характеристик насосу та підвищення його довговічності стає неможливим через недостатній рівень механічних характеристик корпусу. Заводська технологія зміцнення корпусу не в повній мірі відповідає сучасним вимогам міцності, жорсткості та зносостійкості, а отже й працездатності і довговічності, які пред’являються до корпусів шестеренних насосів.

Перспективним способом підвищення жорсткості корпусу є управління внутрішніми напруженнями в корпусних деталях способом пластичного деформування, що знижує величини деформацій корпусу у процесі роботи насосу, підвищує втомну міцність матеріалу, а також заліковує мікротріщини. Алюмінієвий сплав АЛ-9, з якого виготовляється корпус, відноситься до важкодеформуємих сплавів, тому використання відомих способів пластичного деформування не дозволяє досягти бажаного ефекту зміцнення. А отже реалізація способів пластичного деформування для вирішення задач зміцнення корпусу з метою підвищення його працездатності та довговічності потребує подальшого дослідження. Тому питання управління внутрішніми напруженнями в процесі зміцнення корпусних деталей з алюмінієвих сплавів є актуальним.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності до напрямку досліджень кафедри "Експлуатація та ремонт машин" Кіровоградського національного технічного університету по держбюджетній темі "Розробка технології зміцнення корпусів шестеренних насосів деформаційно-термічною обробкою" (Держ. реєстр 0101V007456) 2003 р. та державній цільовій програмі № 062 "Програма виробництва технологічних комплексів машин та обладнання для агропромислового комплексу" на 1998 – 2005 р.р. (постанова Кабінету Міністрів України від 30 березня 1998 р. № , та від 11 квітня 2001 р. № 350).

Мета роботи – підвищити працездатність та довговічність корпусних деталей з алюмінієвих сплавів шляхом управління внутрішніми напруженнями.

Задачі дослідження:

Для реалізації поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1.

2.

3.

4.

5.

Об’єктом дослідження є корпусні деталі з алюмінієвих сплавів на прикладі корпусу шестеренного насосу.

Предметом дослідження є параметри підвищення працездатності та довговічності, питомих показників та механічних властивостей корпусних деталей з алюмінієвих сплавів шляхом управління внутрішніми напруженнями.

Методи дослідження. Теоретичні та експериментальні дослідження проводилися на підставі: положень фізики твердого тіла, що дозволили описати термов’язкопластичну поведінку матеріалу корпусу в процесі управління внутрішніми напруженнями; матеріалознавства, що дало змогу прослідкувати зміни в матеріалі, які відбулися на мікрорівні та виявити причини підвищення механічних характеристик матеріалу; статистичної обробки експериментальних даних, за допомогою якої отримали модель зносного стану корпусу. При теоретичних дослідженнях використано метод кінцевих елементів, котрий дозволив адекватно описати закономірності формування внутрішніх напружень в корпусі, а також метод математичного планування багатофакторного експерименту, з допомогою якого отримали раціональні параметри процесу управління внутрішніми напруженнями, що повинно забезпечити достовірність отриманих наукових результатів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Поставлена наукова задача підвищення працездатності, довговічності та питомої жорсткості корпусних деталей з алюмінієвих сплаві шляхом управління внутрішніми напруженнями.

2. Дослідження отриманої математичної моделі корпусу від тиску робочої рідини дали змогу підвищити його питому жорсткість, довговічність та визначити раціональні параметри процесу управління внутрішніми напруженнями.

3. Запропоновані аналітичні залежності для оцінки напружено-деформованого стану корпусу та визначено конкретні параметри моделі для сплаву АЛ-9.

4. Результати теоретичних та експериментальних досліджень дали змогу з’ясувати умови та наслідки підвищення рівня механічних властивостей корпусу та його жорсткості. Показано, що подрібнення зерна мікроструктури матеріалу та створення залишкових стискаючих напружень, на внутрішній поверхні корпусу, сприяють покращенню його технічних та експлуатаційних характеристик.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Результати вивчення зносного стану корпусів гідронасосів типу НШ_У, які відображені у вигляді статистичних закономірностей розподілів їх зносів, дали змогу вибрати напрямок досліджень способу підвищення працездатності та довговічності корпусних деталей.

2. Запропонований спосіб дозволяє підвищити жорсткість корпусу та його механічні характеристики. Кероване формування внутрішніх напружень зменшує деформації корпусу у 1,5…1,7 рази, підвищує механічні характеристики матеріалу: границю міцності в 1,2…1,4, текучості в 1,3…1,5 та у 1,8 рази відносне залишкове видовження. Новизна способу підтверджена патентом (патент України №44934).

3. Встановлені раціональні режими управління внутрішніми напруженнями: температура нагрівання 500оС, температура охолодження 320оС, кількість циклів – 5, відносна деформація у циклах 5%.

4. Теоретично доведено та експериментально підтверджено можливість управління течією металу шляхом варіювання зазором у спряженні “внутрішній пуансон-корпус”, величина цього зазору, для розглянутих умов, складає 0,1 мм. Це дає можливість виконання якісного формоутворення корпусу в процесі управління внутрішніми напруженнями.

Результати роботи впроваджені у навчальний процес – поставлена лабораторна робота з курсу ОНД „Статистична обробка даних зносів корпусних деталей шестеренних насосів”. Розроблений спосіб управління внутрішніми напруженнями прийнятий до впровадження на КВП „Дніпропетровський комбайновий завод”, м. Дніпропетровськ.

Особистий внесок здобувача. Результати проведених досліджень отримано автором самостійно. Постановка проблеми і задач досліджень виконано спільно з науковим керівником. Досліджено зміну технічного стану корпусу і побудована статистична модель його зносу. Автором проведено аналіз існуючих способів підвищення працездатності та довговічності корпусних деталей з алюмінієвих сплавів, зокрема корпусів шестеренних насосів, обґрунтовано доцільність використання запропонованих режимів при управлінні внутрішніми напруженнями. При теоретичних дослідженнях процесу формування внутрішніх напружень в корпусі, побудовано математичну модель його напружено-деформованого стану з використанням методу кінцевих елементів. Проведено експериментальні дослідження структури і механічних властивостей серійних корпусів та корпусів із сформованим полем внутрішніх напружень, а також їх стендові та експлуатаційні випробування. Оптимізацію режимів процесу управління внутрішніми напруженнями проводили з використанням методу математичного планування експерименту. Розроблено рекомендації до впровадження запропонованого способу управління внутрішніми напруженнями та доведена його економічна доцільність.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були заслухані і обговорені на науково-технічних конференціях викладачів, аспірантів і співробітників Кіровоградського національного технічного університету (м. Кіровоград, 2000-2004 рр.), на 9-й міжнародній науково-практичній конференції “Організація і технологія ремонту машин, механізмів, обладнання” (м. Київ, 2001р.), міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” ХДТУСГ (м. Харків, 2001 р.), “Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки (м. Кіровоград, 2001 р.), на міжнародній конференції „Вибрации в технике и технологиях” Вінницький аграрний університет (м. Вінниця 2002 р), на міжнародній науково-технічній та методичній конференції “Механіка машин і механізмів” Технологічний університет Поділля (м. Хмельницький, 2002 р.), на 6-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків, Львівська політехніка (м. Львів, р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 праць, з них 7 статей у фахових виданнях і 1 патент України на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації становить 168 сторінок, у тому числі 52 ілюстрації по тексту, 1 ілюстрація на 1 сторінці, 12 таблиць по тексту, 2 таблиці на 2 сторінках, 9 додатків на 26 сторінках, список використаних джерел з 137 найменувань на 12 сторінках. Таким чином основна частина роботи складає 140 сторінок, що не перевищує встановлених норм обсягу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, визначена мета, сформульовані задачі дослідження, показана наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, подані відомості про апробацію, публікації та структуру дисертації.

У першому розділі наведено результати аналітичного огляду літературних джерел за темою дисертаційного дослідження.

Ефективність використання поліграфічних, транспортних, вугільнодобувних і сільськогосподарських машин в значній мірі залежить від технічного стану їх корпусних деталей. Типовим представником корпусних деталей з алюмінієвих сплавів є корпус шестеренного насосу, який лімітує ресурс його роботи. До теперішнього часу працездатність та довговічність шестеренного насосу не в повній мірі відповідає сучасним вимогам. Це пояснюється недостатньою жорсткістю корпусу насоса та низькими механічними характеристиками його матеріалу. В цій області плідно працювали такі вчені як П.Р. Кудрявцев, Л.Г. Додін, Е.М. Юдін, С.Н. Кот, Ю.Д. Пашин, В.М. Янсон, Н.Т. Іванов, С.В. Кандиба, В.М. Мудряк. Вони вказують на те, що саме знос корпусу має найбільшу величину у порівнянні із зносами інших деталей насоса.

Аналіз відомих способів підвищення працездатності та довговічності корпусів вказує на несуттєве покращення технічних характеристик насосів, а деякі способи навіть знижують його ресурс. Встановлено, що найбільш прийнятним способом підвищення працездатності та довговічності корпусу є пластичне деформування. Але цей спосіб не дозволяє одноразовим деформуванням досягти необхідного підвищення рівня механічних характеристик матеріалу корпусу, а отже і його довговічності.

Результати попередніх пошукових експериментів та аналіз науково-технічної літератури з питання підвищення працездатності корпусів дозволили сформулювати робочу гіпотезу, мету і задачі дослідження.

У другому розділі, для розв’язання поставлених задач, було складено програму досліджень, вибрано комплекс методик теоретичних та експериментальних досліджень. Вихідними даними для розробки програми досліджень служили мета і задачі дослідження, робоча гіпотеза можливості створення поля залишкових стискуючих напружень на внутрішній поверхні корпусу. Основними задачами, що розв’язувались при проведенні експериментальних досліджень були:

- експериментальна перевірка результатів теоретичних досліджень, зокрема гіпотези створення напруженого стану корпусу та залежність перерозподілу матеріалу від зазору у спряженні “внутрішній пуансон-корпус”;

- виявлення раціональних параметрів процесу управління внутрішніми напруженнями та їх оптимізація;

- розробка процесу зміцнення корпусу шляхом управління внутрішніми напруженнями;

- перевірка механічних властивостей матеріалу корпусу після формування внутрішніх напружень;

- встановлення причин підвищення механічних характеристик матеріалу корпусу його жорсткості та зносостійкості.

При цьому оцінювався вплив параметрів управління внутрішніми напруженнями на якість формування напруженого стану корпусу. Досліджували режими термоциклічних та деформаційних впливів на корпус при формуванні внутрішніх напружень. Одночасно ставилася задача диференціювати ступінь впливу кожного з визначених параметрів з метою виявлення ефективних шляхів управління внутрішніми напруженнями. Дослідження процесів зміцнення корпусів насосів проводили на експериментальному штампі, на гідравлічному пресі SACK&KIESSELBACH зусиллям 1000 кН. Нагрівання корпусу проводили в електронагрівальній печі СНЗ_.12.4/10М1. З метою з’ясування характеру і величини зношування корпусу проводили мікрометраж його поверхонь нутроміром марки НИ 50 - 100 з індикатором годинникового типу 1 МИГ.

Дослідження мікроструктури і твердості матеріалу корпусу дозволяють оцінити, в певній мірі, причини підвищення його зносостійкості та рівня механічних характеристик. Мікроструктури алюмінієвого сплаву АЛ–9 досліджували при збільшенні х250 на мікроскопі МИМ-8. Твердість визначали на твердомірі 2109ТБ по методу Бринеля, кулькою діаметром 10 мм. Випробування по визначенню механічних характеристик матеріалу проводилися на спеціально виготовлених зразках з використанням розривної машини Р – 100. Визначення зносостійкості матеріалу корпусу проводили на машині тертя МИ_М.

Одним з порівняльних критеріїв працездатності серійних і зміцнених гідронасосів є жорсткість їх корпусів під час роботи. Величини деформацій корпусів визначали тензометруванням. Використовували тензодатчики типу ПКБ. Зміна опору тензодатчика через підсилювач ТОПАЗ та гальванометр типу М001-4 фіксувалась осцилографом Н-115.

Перевірку гіпотези напруженого стану корпусу проводили дослідженням залишкових напружень на зразках вирізаних з корпусів насосів після формування внутрішніх напружень та серійних. Величину мікродеформацій зразків визначали рентгенівським способом на дифрактометрі ДРОН-3,0 при кобальтовому випромінювачі з довжиною хвилі випромінення ?=1,7853·10_ м, анодній напрузі 25 кВ і анодному струмі 10 мА.

Ресурсні випробування насосів проводилася на стенді СИН-7. Перевірку коефіцієнту подачі проводили на стенді КПД_з використанням балансирного динамометру. Працездатність та довговічність шестеренних насосів, які укомплектовані корпусами із сформованим полем внутрішніх напружень оцінювали за результатами стендових та експлуатаційних випробувань. Використані методики досліджень передбачають триразове повторення дослідів.

У третьому розділі виконано моделювання процесу управління внутрішніми напруженнями в корпусі шестеренного насосу з використанням методу кінцевих елементів. В процесі теоретичних досліджень для опису напружено-деформованого стану була запропонована модель геометричної форми корпусу. Тому, для опису напружено-деформованого стану вводиться система декартових координат OXYZ, а для зручного опису геометрії корпусу дві системи полярних координат r1O1ц ? r2O2ц (?ис. 1).

Рис. 1. Номінальна конфігурація корпусу з типовою сіткою кінцевих елементів

Дослідження напружено-деформованого стану корпусу проводиться в двовимірній постановці. Перехід від загальної тривимірної постановки до двовимірної здійснювали на основі додаткових спрощуючих гіпотез.

На першій стадії процесу деформування, переміщення в корпусі в поздовжньому напрямку обмежені жорсткими плитами і зневажливо малі в порівнянні з радіальними. При цьому зусилля деформування не істотно змінюються в осьовому напрямку, тобто у корпусі буде реалізовуватися плоско-деформований (у площині XOY) стан.

На другій стадії процесу поверхня корпусу, включаючи торці, звільняється від навантаження. Тому нормальні і дотичні напруження, що діють у площинах, паралельних торцям, будуть незначні. Отже, у корпусі на стадії вільного охолодження буде реалізовуватися плоско-напружений (у площині XOY) стан.

Опис термомеханічного стану корпусу включає задачу теплопровідності і квазістатичної рівноваги. Перша з них містить рівняння балансу енергії:

, (1)

а також граничні і початкові умови (t=0):

; (2)

, (3)

де - температура; - початкова температура тіла, , ; - температура навколишнього середовища; Q - потужність джерел тепла, CV - об'ємна теплоємність, k - коефіцієнт теплопровідності, ? _ коефіцієнт тепловіддачі, ni - компоненти зовнішньої нормалі до поверхні

Задача механіки включає:

рівняння рівноваги:

; i=1,2,3 (4)

кінематичні рівняння для деформацій:

; (5)

співвідношення закону Гука:

, (6)

,

де Sij і eij - девіатори тензорів напружень ?ij і деформацій

, (7)

- компоненти тензора непружних деформацій; G і KV – модулі зсуву та об’єму; ? - коефіцієнт лінійного теплового розширення; , - температура природного (ненапруженого стану).

У рівняннях (7) ?ij - символ Кронекера (?ij=1, i=j; дij=0, )

, , (8)

Тензор непружних деформацій визначається в рамках моделі Боднера-Партома, при використанні наступних рівнянь і умов:

- закон течії типу Прандтля-Рейсса з умовою пластичної нестискуваності :

, (9)

- кінематичне рівняння:

, (10)

де K і D - параметри ізотропного і кінематичного зміцнення;

, , ;

- еволюційні рівняння для внутрішніх змінних, що описують:

а) ізотропне зміцнення:

, (11)

;

б) анізотропне зміцнення:

, (12)

,

В результаті теоретичних досліджень отримано графічний розподіл поля залишкових напружень на внутрішній поверхні корпусу після їх керованого формування (рис. 2).

Рис. 2. Кінетика розподілів компонент напружень і на внутрішній поверхні корпусу

Отримані аналітичні залежності дозволяють провести розрахунок напружено-деформованого стану корпусу і визначити раціональні режими формування внутрішніх напружень.

У четвертому розділі висвітлено результати експериментальних досліджень. Нами вперше було статистично систематизовано відомості про величину і характер зношування корпусу в умовах експлуатації. Побудована статистична модель зносу серійного корпусу дала можливість дослідити закономірності зношування. Результати статистичної обробки бази даних, для місць найбільшого зносу корпусу, наведено на рис. 3.

а б

Рис. 3. Гістограма, полігон і теоретична крива розподілу щільності ймовірностей (а) та ймовірностей (б) зносів корпусу в зоні роботи шестерень

Аналіз отриманих результатів зносу корпусів насосів дав змогу зробити наступні висновки.

Знос корпусу по його периметру носить нерівномірний характер. Корпуси зношуються переважно біля камери всмоктування, що пояснюється недостатньою їх жорсткістю. Причиною зносу верхнього і нижнього поясів корпуса варто вважати зминання і механічне стирання, а тому зноси цих поясів на 20…25 % менші значення зносу середнього поясу.

Для визначення раціональних режимів управління внутрішніми напруженнями в корпусі проводився активний експеримент з використанням методу математичного планування. Параметром оптимізації була абсолютна деформація корпусу D, мкм. За незалежні змінні були вибрані такі фактори: відносна деформація корпусу в циклах Do, %; кількість циклів Z; температура нагрівання корпусу Tn,оС; температура охолодження корпусу To,оС. При дослідженнях був розроблений і реалізований повнофакторний експеримент типу 24. Значимість коефіцієнтів рівняння регресії перевіряли з використанням розподілу Парето. Обробляли отримані дані за допомогою пакетів прикладних програм Statgraphics 2.0. та STATISTICA. Математичне планування експерименту показало, що залежність абсолютної деформації корпусу можна графічно подати у вигляді оптимальних планів та поверхонь відгуку (рис. , ).

Рис. 4. Поверхня відгуку абсолютної деформації корпусу в залежності від відносної деформації в циклах та температури нагрівання

Рис. 5. Лінії рівнів абсолютної деформації корпусу в залежності від відносної деформації в циклах та температури нагрівання

Розрахунки коефіцієнтів регресії дали такі результати: b0=2475,23; b1=10,4688; b2=17,8542; b3=9,93819; b4=0,299479.

Отримане рівняння регресії має вигляд:

(13)

Виходячи з результатів математичного планування експерименту, раціональні режими процесу управління внутрішніми напруженням становлять: відносна деформація корпусу – 5 %; кількість циклів _ ; температура нагрівання - 500оС, а охолодження - 320оС.

Згідно наших досліджень на працездатність насосу у значній мірі впливає жорсткість його корпусу. Низька жорсткість корпусу призводить до погіршення умов роботи у всіх спряженнях насосу, що викликає зниження коефіцієнту об’ємної подачі та ресурсу в цілому.

Результати порівняльних експериментальних досліджень деформацій корпусу при роботі насосу наведено на рис. 6 – 8.

Рис. 6. Розподіл деформацій корпусу по висоті: 1 – корпус заводського насосу; 2 – корпус, який зміцнений обтисненням; 3 – корпус із сформованим полем напружень

Рис. 7. Діаграма розподілу деформацій корпусу по периметру (у поясі верхніх втулок): 1 – корпус заводського насосу; 2 – корпус, який зміцнений обтисненням; 3 – корпус із сформованим полем напружень

Рис. 8. Діаграма розподілу деформацій корпусу по периметру (у поясі шестерень): 1 – корпус заводського насосу; 2 – корпус, який зміцнений обтисненням; 3 – корпус із сформованим полем напружень

Отримані експериментальні дані дають змогу дослідити розподіл поля пружних деформацій корпусу за висотою та по периметру. Аналіз діаграм (рис. 6 - 8) показує, що деформації у корпуса із сформованим полем напружень помітно менші в порівнянні з заводською технологією зміцнення та обтисненням.

При дослідженні мікроструктури було встановлено, що поєднання термоциклічних та деформаційних впливів на матеріал призводить до тріщинотворення кристалів первинного кремнію, що у свою чергу подрібнює зерна мікроструктури (рис. 9) та сприяє утворенню рівновісної системи.

а б

Рис. 9. Мікроструктури сплаву АЛ-9 (х250)

а – після заводської термічної обробки; б – після формування внутрішніх напружень.

Механічні характеристик матеріалу корпусу із сформованим полем внутрішніх напружень, мають вищі показники у порівнянні з заводською технологією зміцнення та обтисненням. Результати визначення механічних характеристик матеріалу наведено у таблиці 1.

Таблиця 1

Результати визначення механічних характеристик корпусу при випробуваннях на розтяг

Механічні характеристики | Серійний корпус | Обтиснений

корпус | Корпус із сформованими напруженнями | Границя міцності, МПа | 200 | 220 | 250 | Границя текучості, МПа | 150 | 170 | 215 | Відносне видовження, % | 4,5 | 6,8 | 8,5 | Твердість, НВ | 70…85 | 80…90 | 95…105 |

З метою перевірки гіпотези напруженого стану корпуса були проведені рентгенографічні дослідження матеріалу заводського корпуса насоса та матеріалу корпуса, який піддавався керованому формуванню внутрішніх напружень. Отримані дані вказують на помітно вищій рівень залишкових напружень стискуючого характеру у матеріалі корпусу із формованим полем напружень (рис. 10).

а б

Рис. 10. Розподіл залишкових напружень , на поверхні корпусу

а – теоретичний розподіл; б – експериментальний розподіл

Наведені теоретичні і експериментальні дані розподілу залишкових напружень узгоджуються між собою, що вказує на адекватність розробленої математичної моделі процесу управління внутрішніми напруженнями.

Результати випробувань на знос показують підвищення у 1,2…1,5 рази зносостійкості матеріалу корпусу із сформованим полем напружень у порівнянні з відповідними показниками заводської технології.

Аналізуючи результати прискорених стендових та експлуатаційних випробовувань було встановлено, що гама-процентний () ресурс насоса укомплектованого корпусом із сформованим полем напружень становить 3523,62 години, що перевершує ресурс серійного на 17%.

Проведені дослідження показали ефективність застосування способу управління внутрішніми напруженнями в корпусних деталях з алюмінієвих сплавів. У насосів, які були укомплектовані корпусами із формованим полем залишкових напружень підвищується працездатність та довговічність у порівнянні з існуючими аналогами.

У п’ятому розділі наведені рекомендації щодо використання результатів дослідження при впроваджені у виробництво. Відмічено, що використання способу управління внутрішніми напруженнями в корпусі забезпечить економічний ефект у розмірі 17,01 грн. в розрахунку на один насос.

ВИСНОВКИ

1. Аналіз науково-технічної літератури та виробничого досвіду показав, що існуючий рівень працездатності корпусу лімітує ресурс всього насоса і це пов’язано з його недостатньою жорсткістю і міцністю. Підвищити жорсткість і міцність корпусу можна шляхом формування в ньому внутрішніх залишкових напружень. Відомі методи підвищення жорсткості і міцності не враховують можливості управління внутрішніми напруженнями, а це є резервом для підвищення довговічності.

2. На основі результатів аналітичних і експериментальних досліджень встановлено взаємозв’язок між параметрами управляючого впливу та напружено-деформованим станом корпусів з алюмінієвих сплавів. Це дозволило запропонувати математичну модель процесу управління внутрішніми напруженнями в корпусних деталях, що дало змогу розрахувати методом кінцевих елементів поле залишкових напружень та деформацій і виконати кероване формування внутрішніх напружень в корпусі з метою підвищення його жорсткості та працездатності.

3. Отримані, методом математичного планування експерименту раціональні режими процесу управління внутрішніми напруженням становлять: відносна деформація корпусу – 5 %; кількість циклів _ ; температура нагрівання - 500оС, а охолодження - 320оС.

4. Виявлено рентгенографічним аналізом стискуючий характер залишкових напружень на поверхні корпусу. Сформовані залишкові напруження знижують деформації корпусу в 1,5…1,7 рази в порівнянні з існуючим аналогами. Отримані експериментальні результати дослідження напружено-деформованого стану корпусу узгоджуються з теоретичним обґрунтуваннями, що вказує на високу адекватність отриманої математичної моделі управління внутрішніми напруженнями. Це дозволяє з достатньою для практики точністю оцінити режими управління внутрішніми напруженнями в корпусних деталях з алюмінієвих сплавів та сформулювати практичні рекомендації щодо їх застосування.

5. Показано, що кероване формування внутрішніх напружень в корпусі дозволяє забезпечити більш дрібнозернисту структуру матеріалу, підвищити механічні характеристики: границі міцності і текучості матеріалу корпусу у 1,25…1,5 рази, твердість у 1,2…1,4 рази та підвищити зносостійкість у 1,2…1,5 рази у порівнянні з відповідними показниками заводської технології.

6. Проведені стендові та експлуатаційні випробування шестеренних насосів показали техніко-економічну ефективність запропонованого способу управління внутрішніми напруженнями. Формування внутрішніх напружень в корпусі дозволяє підвищити довговічність шестеренного насосу на 16...18%. Очікуваний економічний ефект від впровадження становить 17,01 грн. в розрахунку на один насос.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

Здобувачем запропоновано використовувати багатократне пластичне деформування для підвищення якості відновлення корпусів гідронасосів.

2.

Здобувачем отримано раціональні параметри виготовлення та відновлення корпусів насосів методом пластичного деформування.

3.

Здобувачем запропоновано підвищити працездатність та довговічність корпусів шестеренних насосів шляхом створення внутрішніх залишкових напружень на їх робочих поверхнях.

4.

Здобувачем встановлено, що управляючі впливи на матеріал корпусу при формуванні внутрішніх напружень підвищують його зносостійкість.

5.

Здобувачем запропоновано застосовувати термомеханічну обробку з метою керованого формування внутрішніх напружень у корпусі гідронасоса.

6.

Здобувачем досліджено вплив деформаційно-термічної обробки на структуру і фізико-механічні властивості матеріалу корпусу гідронасоса.

7.

Здобувачем досліджено фізико-механічні властивості і структуру матеріалу корпусу насоса після формування внутрішніх напружень.

8.

Здобувачем запропоновано відновлювати корпус шестеренного насосу деформаційно-термічною обробкою, яка може бути використана для управління внутрішніми напруженнями при виготовленні.

АНОТАЦІЯ

Дубовик В.О. Підвищення працездатності та довговічності корпусних деталей з алюмінієвих сплавів шляхом управління внутрішніми напруженнями. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02. “Машинознавство”. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2005.

Дисертаційна робота присвячена питанню підвищення працездатності та довговічності корпусних деталей з алюмінієвих сплавів шляхом управління внутрішніми напруженнями на прикладі корпусу шестеренного гідронасоса.

Результатом теоретичних досліджень є створення математичної моделі процесу управління внутрішніми напруженнями в корпусі шестеренного насосу. При моделюванні процесу зміцнення використано метод кінцевих елементів. В процесі теоретичних досліджень була запропонована модель геометричної форми корпусу. Параметрами отриманої математичної моделі є температура нагрівання, охолодження корпусу та кількість циклів і степінь відносної деформації в циклах. При описі напружено-деформованого стану корпусу використано модель Боднера-Партома. Граничні і початкові умови включають гіпотезу однорідності і ізотропності матеріалу.

Експериментальні дослідження включали в себе перевірку гіпотези напруженого стану корпусу, а саме можливість створення стискаючих залишкових напружень на внутрішній поверхні корпусу. В результаті проведення експериментальних досліджень було виявлено подрібнення мікроструктури матеріалу корпусу. Запропонований спосіб дає змогу у 1,2…1,4 рази підвищити твердість, у 1,2…1,5 рази підвищити зносостійкість та границі міцності і текучості матеріалу корпусу у 1,25…1,5 рази в порівнянні з відповідними показниками заводської технології.

Крім того, виявлено зменшення у 1,5…1,7 рази величини деформацій корпусу із сформованим полем напружень, в умовах експлуатації, у порівнянні з відповідними показниками серійного насосу. Гама процентний ресурс (=90%) шестеренного насосу з корпусом у якому виконано формування внутрішніх напружень на 17% перевищив ресурс серійного.

Ключові слова: управління внутрішніми напруженнями, корпус, залишкові напруження, деформації, жорсткість, кінцеві елементи, напружено-деформований стан, працездатність, довговічність.

АННОТАЦИЯ

Дубовик В.А. Повышение работоспособности и долговечности корпусных деталей из алюминиевых сплавов путем управления внутренними напряжениями. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02. “Машиноведение”. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2005.

Диссертационная работа посвящена вопросу повышения работоспособности и долговечности корпусных деталей из алюминиевых сплавов путем управления внутренними напряжениями на примере корпуса шестеренного гидронасоса.

Типичными представителем корпусных деталей из алюминиевых сплавов есть корпуса шестеренных насосов, которые нашли самое широкое применение в гидравлических системах машин от полиграфической, угледобывающей, авиационной до сельскохозяйственной промышленности. Дальнейший рост основных технических характеристик насоса и повышение его долговечности становится невозможным из-за недостаточного уровня работоспособности корпуса. Заводская технология изготовления и упрочнения корпуса не в полной мере соответствует современным требованиям жесткости и долговечности, которые предъявляются к корпусам шестеренных насосов.

Перспективным способом повышения жесткости корпуса является управление внутренними напряжениями в корпусных деталях способом пластического деформирования. Алюминиевый сплав АЛ-9, из которого изготовляется корпус, относится к труднодеформируемым сплавам, поэтому использование известных способов пластического деформирования не позволяет достичь желательного эффекта упрочнения. А поэтому реализация способов пластического деформирования для решения задач упрочнения корпуса с целью повышения его работоспобности и долговечности нуждается в дальнейшем исследовании.

На основе результатов аналитических и экспериментальные исследования установлена взаимосвязь между параметрами управляющего воздействия и напряженно-деформированным состоянием корпусов из алюминиевых сплавов.

Результатом теоретических исследований является создание математической модели процесса управления внутренними напряжениями в корпусе шестеренного насоса. При моделировании процесса управления внутренними напряжениями был использован метод конечных элементов. В процессе теоретических исследований была предложена модель геометрической формы корпуса. Параметрами полученной математической модели управления внутренними напряжениями является температура нагревания, охлаждения корпуса, количество циклов и степень относительной деформации в циклах. При описании напряженно-деформированного состояния корпуса была использована модель Боднера-Партома. Граничные и начальные условия включают гипотезу однородности и изотропности материала.

Экспериментальные исследования включали в себя проверку гипотезы напряженного состояния корпуса, а именно возможность создания сжимаемых остаточных напряжений на поверхности корпуса. В результате проведения экспериментальных исследований было обнаружено измельчение зерна микроструктуры материала корпуса.

Полученные результаты экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния корпуса согласовываются с теоретическим обоснованиями, что указывает на адекватность полученной математической модели управления внутренними напряжениями. Это позволяет с достаточной для практики точностью оценить режимы управления внутренними напряжениями в корпусных деталях из алюминиевых сплавов и сформулировать практические рекомендации их применения.

Предложенный способ управления внутренними напряжениями дает возможность в 1,2...1,4 раза повысить твердость, в 1,2...1,5 раза повысить износоустойчивость и в 1,25...1,5 раза пределы прочности и текучести материала корпуса в сравнении с соответствующими показателями известных аналогов.

Кроме того, обнаружено уменьшение в 1,5...1,7 раза деформации корпуса со сформированным полем напряжений, что обеспечивает повышение жесткости, при работе насоса в сравнении с соответствующими показателями серийного насоса. Гамма процентный ресурс (=90%) шестеренного насоса с корпусом, в котором сформированы внутренние напряжения на 16…18% превышает ресурс серийного насоса.

На основе результатов экспериментальных и теоретических исследований процесса управления внутренними напряжениями разработаны практические рекомендации, позволяющие повысить жесткость и долговечность корпуса и тем самым обеспечить улучшение технических характеристик шестеренного насоса.

Ключевые слова: управление внутренними напряжениями, корпус, остаточные напряжения, деформации, жесткость, конечные элементы, напряженно-деформированное состояние, работоспособность, долговечность.

THE SUMMARY

Dubovik V.A. Increase of serviceability and durability of case details from aluminium alloys by management of internal pressure - the Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.02.02 - Machine engineering. - National technical university of Ukraine "Kyiev politechnical institute", Kyiv, 2005.

Dissertational work is devoted to a question increase of serviceability and durability of case details from aluminium alloys by management of internal pressure by the example of the case gear the hydropump.

Result of theoretical researches is creations of mathematical model of managerial process by internal pressure in the case gear the pump. At modelling process of hardening it is used a method of final elements. During theoretical researches the model of the geometrical form of the case has been offered. Parameters of the received mathematical model are temperature of heating, cooling of the case, quantity of cycles and a degree of relative deformation in cycles. At the description it is intense - deformed conditions of the case model Bodner-Partom is used. Limiting and entry conditions include a hypothesis of uniformity and a material.

Experimental researches included check of a hypothesis of an intense condition of the case, namely an opportunity of creation of compressing residual pressure on an internal surface of the case. As a result of carrying out of experimental researches crushing a microstructure of a material of the case has been revealed. The offered way enables to raise hardness in 1,2...1,4 times, in 1,2...1,5 times to raise wear resistance and borders of durability and fluidity of a material of the case in 1,25...1,5 times in comparison with corresponding parameters of factory technology.

Besides it is revealed reduction in 1,5...1,7 times of size of deformations of the case with the generated field of pressure under operating conditions, in comparison with corresponding parameters of the serial pump. Scale a percentage resource (г=90 %) gear the pump with the case in which are executed formations of internal pressure on 17 % were exceeded with a resource serial.

Key words: management of internal pressure, case, residual pressure, deformations, rigidity, final elements, the condition is intense - deformed a condition, serviceability, durability.