ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

ХІТРОВ ІГОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 621.81.004.67:621.77:621.792

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТОЧНОСТІ ТА ЯКОСТІ

ВІДНОВЛЕННЯ ПОСАДОЧНИХ ОТВОРІВ КОРПУСНИХ ДЕТАЛЕЙ

05.02.08 – технологія машинобудування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тернопіль – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України (м. Рівне).

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, професор

Сухарєв Едуард Олександрович,

Національний університет водного господарства та природокористування (м. Рівне),

завідувач кафедри „Експлуатація та ремонт машин”.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, доцент

Марчук Віктор Іванович,

Луцький державний технічний університет,

завідувач кафедри „Приладобудування”;

кандидат технічних наук

Стойко Ігор Іванович,

Тернопільський державний технічний університет

імені Івана Пулюя,

доцент кафедри „Менеджмент підприємницької діяльності”.

Провідна установа: | Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”,

кафедра „Технологія машинобудування”,

Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться „ 25 ” листопада 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 58.052.03 у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розісланий „ 24 ” жовтня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

Зінь М.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасному машинобудуванні широко застосовуються корпусні деталі. Однією з основних причин виходу з ладу цих деталей є спрацювання посадочних отворів під підшипники кочення. Для відновлення спрацьованих посадочних поверхонь в корпусних деталях використовуються різні методи, однак всі вони мають такі суттєві недоліки як складність механічного оброблення і технологічного обладнання для його здійснення, низька продуктивність і висока собівартість. Тому необхідно розробляти та впроваджувати нові, більш ефективні методи відновлення посадочних отворів, які б могли забезпечити не лише спрощення і здешевлення технологічного процесу, але й високу точність та якість відновлених поверхонь отворів. Таким чином, вирішення наукової задачі, яка полягає в розробленні прогресивної технології відновлення спрацьованих посадочних отворів під підшипники кочення в корпусних деталях з використанням полімерних матеріалів і розмірних згортних сталевих втулок є актуальним для машинобудівних і ремонтних підприємств України та інших держав.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з планом науково-дослідної тематики кафедри „Експлуатація та ремонт машин” Національного університету водного господарства та природокористування (м. Рівне) “Розробка теоретичних і експериментальних методів досліджень надійності, експлуатації і ремонту машин” і є складовою частиною науково-дослідної роботи лабораторії “Відновлення деталей зварюванням, наплавленням та пластичним деформуванням” Національного наукового центру “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” (смт. Глеваха Київської обл.) відповідно до держбюджетної теми 14-05/2003юр “Розробити технологію і обладнання для ремонту варіаторів ходових частин зернозбиральних комбайнів” (номер державної реєстрації № 0103U008979) з 26.05.2003 р. до 30.12.2004 р. Роль автора у виконанні цих науково-дослідних робіт полягає у розробленні теоретичних і технологічних основ процесу відновлення посадочних отворів корпусних деталей, проведенні теоретичного і експериментального обґрунтування їх конструктивно-технологічних параметрів, розробленні експериментальних зразків засобів оснащення і пристроїв для дослідження впливу параметрів та режимів процесу відновлення на ресурс роботи корпусних деталей.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення точності та якості отворів корпусних деталей на основі розроблення прогресивної технології їх відновлення з використанням розмірних зміцнених згортних сталевих втулок і полімерних матеріалів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Дослідити дефекти корпусних деталей, які виникають у процесі експлуатації машин, і визначити коефіцієнти придатності цих деталей до відновлення та бракування.

2. Дослідити величини спрацювання посадочних отворів корпусних деталей від часу їх напрацювання.

3. Розробити ефективну технологію відновлення спрацьованих посадочних отворів корпусних деталей.

4. Дослідити взаємозв’язки між параметрами якості та точності розмірних сталевих зміцнених втулок і режимами процесу їх розкочування.

5. Розробити математичну модель для дослідження міцності полімерного з’єднання „згортна втулка-розточений отвір” при різних експлуатаційних режимах його навантаження.

6. Дослідити зносотривкість робочих поверхонь посадочних отворів, відновлених за запропонованою і відомими технологіями.

7. Розробити практичні рекомендації для впровадження у виробництво запропонованої технології відновлення посадочних отворів корпусних деталей.

Об’єкт дослідження – технологічний процес відновлення спрацьованих посадочних поверхонь отворів під підшипники кочення у корпусних деталях.

Предмет дослідження – точність і якість поверхонь посадочних отворів під підшипники кочення у корпусних деталях та технологічне забезпечення процесу відновлення цих поверхонь.

Методи дослідження. В основу проведених досліджень покладені наукові підходи та загальні положення технології машинобудування, теорії пружності і пластичного деформування, інженерної творчості, теорії розрахунків економічної ефективності технічних рішень. В якості інструментальної математичної основи досліджень застосовано математичне моделювання та планування експерименту, математичну статистику (статистичний аналіз) і аналітичну обробку експериментальних даних (кореляційний і регресивний аналізи). Експериментальні дослідження проводились з використанням сучасних фізичних та механічних методів оцінки стану робочої поверхні відновлених отворів, міцності з’єднання „корпус-втулка” і зносотривкості відновлених поверхонь. Статистична обробка експериментальних даних проводилась з використанням сучасних ЕОМ і програмного забезпечення.

Наукова новизна одержаних результатів:

– вперше розроблено технологію відновлення посадочних отворів корпусних деталей встановленням розмірних сталевих зміцнених ремонтних втулок у відновлювальний отвір на анаеробному полімерному матеріалі з забезпеченням номінального розміру відновлювального отвору без кінцевого механічного оброблення, яка забезпечує продовження терміну експлуатації відновлених корпусних деталей не нижче рівня нових та скорочення витрат на їх ремонт;

– вперше отримано математичну модель для дослідження впливу параметрів процесу відновлення (шорсткість відновлювальної поверхні, товщина полімерного прошарку) на міцність з’єднання „розмірна ремонтна втулка-полімерний прошарок-розточений отвір корпусної деталі”, яка дозволяє вибрати найраціональніші параметри процесу відновлення спрацьованих отворів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблену технологію відновлення посадочних отворів корпусних деталей та відповідне технологічне оснащення апробовано і впроваджено в Демидівському сільськогосподарському кооперативі СВК “Агросервіс” Рівненської області для відновлення посадочних отворів корпусних деталей зернозбиральних комбайнів СК-5 “Нива” (корпус 54-10058 коробки передач; корпус 54-10309В варіатора; коромисло Н.069.02.008; корпус валу контр-приводу 54-20055А; корпус 10174А валу кривошипу).

Дослідно-виробничі випробування показали, що розроблена технологія відновлення посадочних отворів корпусних деталей зернозбиральних комбайнів забезпечує якісне відновлення посадочних отворів під підшипники корпусних деталей та ресурс не нижче нових. Тому розроблені у вигляді інженерної методики практичні рекомендації пропонується використовувати для відновлення посадочних отворів корпусних деталей сільськогосподарських та інших машин на ремонтних підприємствах різних галузей народного господарства.

Теоретичні та практичні результати дисертаційних досліджень впроваджено у навчальний процес кафедри „Експлуатація та ремонт машин” Національного університету водного господарства та природокористування (м. Рівне).

Особистий внесок здобувача в наукові праці, які опубліковані у співавторстві, полягає в: обґрунтуванні конструктивно-технологічних параметрів засобів оснащення і режимів процесу відновлення [3]; розкритті теоретичних передумов підвищення довговічності посадочних отворів корпусних деталей [4]; обґрунтуванні технологічного процесу забезпечення точності та якості відновлення посадочних отворів корпусних деталей [5]; аналізі науково-технічної інформації та формулюванні мети роботи [6]. Особистий внесок здобувача у працю [7] рівноцінний з внеском інших співавторів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що включені до дисертації, оприлюднено на: науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, аспірантів і студентів Національного університету водного господарства та природокористування (м. Рівне) протягом 2000-2004 рр.; 2-й Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки” (Луцький державний технічний університет, м. Луцьк, 2001 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Актуальні проблеми водного господарства та природокористування” (Український державний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне, 2002 р.); 2-й Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (Харківський державний технічний університет сільського господарства, м. Харків, 2003 р.); 11-й Міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (Національний науковий центр “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства”, смт. Глеваха Київської обл., 2003 р.); 5-й Міжнародній науково-технічній конференції „Інженерія поверхні і реновація виробів” (м. Ялта, 2005 р.); 3-й Міжнародній науково-технічній конференції „Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку” (Донбаська державна машинобудівна академія, м. Краматорськ, 2005 р.).

У повному обсязі робота доповідалась та отримала позитивні відгуки на: секції технічної політики науково-технічної ради Міністерства аграрної політики України (м. Київ, 2005 р.); науково-технічній раді відділу ремонту машин Національного наукового центру “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” УААН (смт. Глеваха Київської обл., 2004 р.); науково-технічному семінарі Дніпропетровського державного аграрного університету (м. Дніпропетровськ, 2005 р.); науково-технічному семінарі № 4 Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (м. Тернопіль, 2005 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 6 статтях у збірниках наукових праць, які затверджені ВАК України як фахові, в 2 матеріалах міжнародних науково-технічних конференцій і в 1 деклараційному патенті України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації – 259 сторінок, в тому числі 65 рисунків, 15 таблиць, список використаних літературних джерел з 167 найменувань та 3 додатки на 56 сторінках. Обсяг основного тексту дисертації – 132 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету, об’єкт, предмет досліджень та задачі, які розв’язуються у роботі. Окреслено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Наведено інформацію про апробацію, структуру та обсяг роботи.

У першому розділі „Основні способи та технології підвищення довговічності корпусних деталей” дано загальний аналіз наявних досліджень із зазначеної тематики. Розглянуто особливості конструкції корпусних деталей, дана їх характеристика. Розкриті основні дефекти корпусних деталей, проаналізовано вплив зміни форми, розмірів і взаємного розташування посадочних отворів корпусних деталей на довговічність підшипникових вузлів і машини в цілому. Проведений аналіз і дана характеристика існуючих способів та особливостей відновлення посадочних отворів за допомогою полімерних матеріалів.

Довговічність нових корпусних деталей забезпечується точністю та зносотривкістю робочих поверхонь посадочних отворів, а відновлених – за рахунок застосування відповідних матеріалів і технологій їх нанесення, дотримання заданих режимів механічного оброблення з використанням зміцнюючих технологій.

Для відновлення спрацьованих внутрішніх циліндричних поверхонь корпусних деталей найперспективнішими є способи пластинування, пружно-пластичного деформування та застосування полімерних матеріалів. За основу таких матеріалів використані анаеробні полімерні матеріали (герметики).

Питаннями відновлення нерухомих спряжень підшипників кочення анаеробними герметиками висвітлені у роботах В.І. Башкірцева, М.Е. Кричевського, Л.Г. Кузьміна, В.В. Курчаткіна, Р.І. Ли, І.Ж. Тоірова, Е.Б. Фоменка та інші.

Значний внесок у вирішенні питань підвищення працездатності деталей машин і елементів конструкцій з використанням різних технологічних методів поверхневої обробки внесли такі вчені як П.Г. Алексєєв, Б.М. Аскіназі, І.Л. Голего, В.А. Горохов, Б.Д. Грозін, Б.І. Костецький, І.В. Крагельський, В.І. Марчук, А.А. Маталін, М.В. Молодик, Л.Г. Одінцов, В.І. Похмурський, О.В. Рижов, М.І. Соболєв, В.М. Ткачов, В.Т. Трощенко, В.І. Черноіванов, А.В. Чичинадзе та інші.

Науковий підхід до загального процесу ремонту дозволить розробити технологію з врахуванням всіх недоліків конструктивних рішень, які проявляються в процесі експлуатації у вигляді дефектів та підвищити ресурс відремонтованої машини.

У другому розділі „Теоретичні основи технологічного забезпечення ефективності процесу відновлення посадочних отворів корпусних деталей” розкрито теоретичні передумови процесу пластинування у поєднанні з полімерними матеріалами. Представлена схема взаємозв’язку факторів, які визначають процес відновлення посадочних отворів корпусних деталей.

Обґрунтовано вибір параметрів процесу розкочування втулок (натяг, кут контакту роликів) на глибину зони пластичної деформації. У процесі розкочування поверхневий шар металу втулки деформується роликами розкатника. Пластичні деформації при цьому локалізуються поблизу контактних поверхонь і поля ліній ковзання можуть бути представлені полем Прандтля. Для визначення глибини проникнення зони пластичної деформації при різних значеннях натягу і кута конусності розкочуючого ролика був використаний метод ліній ковзання та типове поле для випадку руху розкатника в пластичному напівпросторі (рис. 1).

Розглянувши схему для розрахунку глибини поширення зони пластичної деформації отримано залежність глибини проникнення зони пластичної деформації а втулки від кута контакту ролика розкатника та натягу розкочування і:

. (1)

При розкочуванні з метою отримання більшого зміцнення на більшу глибину для пластин товщиною більше 1 мм необхідно брати менші значення кута і більшу величину натягу (рис. 2). При розкочуванні тільки з метою забезпечення точних розмірів натяг повинен бути мінімальним, а кут нахилу профілю ролика максимальним.

Теоретично визначено зусилля розкочування втулки варіюванням значення натягу, подачі та фізико-механічними властивостями матеріалу втулки. Зміна натягу розкочування втулки виготовленої зі сталі Ст. 3 від 0,15 мм до 0,25 мм при поздовжній подачі 0,37 мм/об збільшує радіальне зусилля розкочування з 3,2 до 7,65 кН. При розкочуванні втулки зі сталі 45 радіальне зусилля зростає з 6,2 до 11,8 кН. У меншій мірі на величину радіального зусилля розкочування впливає поздовжня подача розкатника. У процесі розкочування втулки зі сталі Ст. 3 з натягом 0,15 мм радіальне зусилля розкочування становило 3,2 кН (поздовжня подача 0,12 мм/об) та 3,4 кН при поздовжній подачі 0,24 мм/об.

Визначено параметри втулки та матриці (діаметр отвору матриці, довжина, ширина і товщина втулки). Вибір товщини втулки (в межах 0,8-1,2 мм) назначали залежно від спрацювання деталі. Ширину згортної втулки приймали на 8-10 % меншою ширини посадочного отвору корпусної деталі. Діаметр отвору матриці вибирали залежно від діаметру розточеного отвору, товщини втулки, натягу розкочування.

Обґрунтовано вибір подачі та швидкості розкочування втулок у матриці. У виборі подачі розкочування виходили зі схеми розкочування, коефіцієнтів планетарності ведучого розкатника і ведучої деталі, подачі ролика за один оберт сепаратора. Подача ведучої ланки, незалежно від схеми розкочування, завжди дорівнює подачі верстата, що подається на його супорт, стіл або шпиндель. Розрахункова величина подачі розкочування втулок становила 0,13-0,36 мм/об. Колову швидкість розкочування поверхні втулки в межах 35-60 м/хв вибирали залежно від схеми розкочування та частоти обертання шпинделя верстата. Більші значення подачі та швидкості відповідали більшому діаметру розкочування втулки.

На основі розгляду математичної моделі конструкції підшипникового вузла з полімерним прошарком показано, що демпфуюча плівка ефективно поглинає вібрації, які передаються опорній конструкції, тим самим зменшуючи спрацювання як посадочних поверхонь у корпусних деталях під підшипники, так і самих підшипників. Визначено енергію, яка затрачена в одиницю часу на тертя між кульками і кільцями підшипника і енергією, яка розсіюється у стиснутій плівці. Відмічено, що теплоутворення у стисненому полімерному прошарку дуже малі у порівнянні з розсіюванням енергії на тертя у вигляді тепла при коченні кульок у підшипнику.

Третій розділ „Досліджувані матеріали та методики досліджень”. Дослідження динаміки спрацювання посадочних отворів проводили на корпусах зернозбиральних комбайнів СК-5 “Нива” і Дон-1200 (Дон-1500). Мікрометражу підлягали очищені, ретельно промиті та просушені корпуси. Вивчення дефектів корпусів проводили та оцінювали за всіма робочими поверхнями корпусів. У результаті обробки мікрометражних даних визначали величину та характер спрацювань, а також кількість деталей, які підлягали відновленню та придатні для подальшої експлуатації.

Для опису залежності спрацювання посадочних отворів ?S деталей від напрацювання tr (на основі статистичної інформації) використали регресивний аналіз. Одностороння стохастична залежність між напрацюванням та спрацюванням була описана за допомогою поліному . При дослідженні нас цікавив довірчий інтервал не для середніх, а для індивідуальних значень залежної змінної. Тому, ми встановили довірчі інтервали (обумовлені заданим рівнем значимості ), для яких буде розміщене окреме значення ?Si залежної змінної, що відповідає значенню змінної trі. Ресурс вузла корпус-підшипник за критерієм спрацювання вичерпується в тому випадку, якщо їх лінійне спрацювання досягне допустимого значення ресурсного напрацювання при верхньому довірчому інтервалі.

Для дослідження впливу параметрів і режимів процесу відновлення на міцність з’єднання “втулка-поверхня отвору” були виготовлені експериментальні зразки засобів оснащення та установки. Зразки виготовляли з чавуну СЧ 18. З метою забезпечення різного значення зазорів у з’єднанні, які визначали товщину прошарку клею – 0,05; 0,10; 0,15 мм, внутріш-ній діаметр зразків D виконували у трьох варіантах – 74,1+0,03; 74,2+0,03 та 74,3+0,03 мм. Для визначення впливу шорсткості розточеної поверхні на міцність зчеп-лення внутрішні поверхні зразків виконували з параметрами Rz = 50, Rz = 40, Rz = 30, Rz = 20 мкм. Контроль параметрів шорсткості в зразках проводили на профілометрі-профілографі моделі 201 заводу “Калібр”.

Згортні втулки виготовляли з листової сталі Ст. 3 товщиною 1,2 мм. Довжину пластини-заготовки вибирали з умови забезпечення пресової посадки втулок у матрицю. Допуск на довжину пластини-заготовки вибирали за квалітетом С 11.

Розкочування втулок з метою кінцевого формування їх роз-міру і зміцнення внутрішньої поверхні проводили розкатником на токарно-гвинторізному верстаті моделі 1К62Г у матриці. Діаметр отвору матриці розраховували за формулою:

(2)

де Dрз – внутрішній діаметр розточеного отвору корпусної деталі, мм; tп – товщина пластини, мм; і – діаметральний натяг розкочування, мм.

Для зручності виймання сформованої після розкочування втулки матриця була роз’ємною. Обидві половини матриці центрували штифтами і стягували двома гвинтами. Внутрішній діаметр матриці Dм повинен відповідати значенню, отриманому за формулою (2), зовнішній – на 20-30 мм більший за внутрішній для діаметрів отворів до 100 мм, і на 30-50 мм для діаметрів отворів більше 100 мм. Ширина матриці повинна перевищувати ширину отвору корпусної деталі, для якого виготовляється згортна втулка, на 5-10 мм. Шорсткість поверхонь отворів у матриці становила Rz = 10 мкм, твердість – HRC 45-50.

Для дослідження параметрів шорсткості розкоченої поверхні експерименти проводили на вертикально-свердлильному верстаті моделі 2А125 за наступних значеннях параметрів: радіальний натяг розкочування – 0,2 мм; подача розкатника – 0,13; 0,22; 0,36 мм/об; оберти шпинделя – 195 об/хв.

Розкочування внутрішнього отвору втулки проводили за допомогою багатороликових, плаваючих, диференціальних розкатників. Діаметр роликів D вибирали залежно від внутрішнього діаметра втулки. Діаметр роликів при вершині для діаметрів 52-90 мм приймали – 8,4h6 мм, а для діаметрів 100-140 мм – 14,8h6 мм. З врахуванням того, що опорний конус розкатника має кут при вершині рівний , то деформуючі ролики забезпечили в процесі розкочування відповідно наступні зад-ні кути деформації та .

Розкочені втулки приклеювали до внутрішніх поверхонь отворів чавунних зразків або корпусів за допомогою полімерних матеріалів. Досліджували полімерні матеріали “Metallkleber Y” та “Multimetall Eisen FL” фірми “Діамант-Україна” (на основі епоксидної смоли); “Loctite 660” і „Loctite 638” (анаеробні герметики) фірми “Loctite”; “Унігерм 9” (анаеробний герметик) фірми „Колібрі”; „Коутекс” (на основі модифікованих епоксидних смол) і “Тенакс” (на основі поліефірних смол) розробки Інституту хімії високомолекулярних з’єднань НАН України.

Для оцінки міцності полімерних з’єднань в умовах експлуатаційного навантаження проводили порівняльні випробування на експериментальній установці. Змінне навантаження забезпечували за рахунок ексцентриситету величиною 2 мм між діаметрами валу установки та віссю підшипника навантажувального пристрою. Жорсткість навантажувальної пружини і зусилля її затягування вибирали з умов створення на випробувальних зразках питомого тиску, який діє на посадочні поверхні отворів корпусів. Еквівалентне радіальне навантаження вибирали виходячи з динамічної вантажопідйомності підшипника С і частоти обертання внутрішнього кільця підшипника. Для підшипника 306 (зовнішній діаметр – 72 мм, ширина – 19 мм) еквівалентне радіальне навантаження F = 3,9 кН, що створює тиск на полімерний прошарок q = 3 МПа. З метою проведення прискорених випробувань та оцінки впливу навантаження на підшипниковий вузол дослідження проводили при значеннях тиску 5 та 8 МПа. Випресовування втулок проводили через 100 годин роботи установки. Статичну міцність з’єднань втулки і чавунного зразка визначали на машині УВМ-1 при осьовому зсуві.

Випробування на зносотривкість проводили за схемою “кільце-втулка” при реверсивному терті без мащення на універсальній машині тертя УММ-1.

Досліджували наступні зразки: еталонний зразок виготовлений з чавуну СЧ 18, внутрішній отвір виготовлений за заводськими режимами різання, як виготовляються посадочні отвори корпусних деталей. Зразок з розкоченою втулкою зі сталі Ст. 3. Зразок з розкоченою та розточеною втулкою зі сталі Ст. 3. Зразок з розкоченою втул- кою, яка встановлена на полімерному матеріалі.

Мікротвердість розкочених зміцнених втулок становила НV 150-153, початкова НV 128-131 і шорсткість – Ra = 0,35-0,53 мкм. Мікротвердість розкоченої та розточеної втулки – НV 140-143 і шорсткість – Ra = 2,1-2,4 мкм.

Як контрзразок використовували зовнішні кільця кулькового підшипника типу 46203 (зовнішній діаметр – 40 мм, ширина – 12 мм), виготовлені зі сталі ШХ 15.

Випробування проводили при реверсивному терті без мащення з амплітудою відносного переміщення зразка і контрзразка – 9 мм, частота відносного переміщення – 5 Гц, тривалість випробувань – 2105 циклів.

За критерій величин спрацювання пари тертя прийнято втрату маси зразка після кожного етапу досліджень. Втрату маси визначали зважуванням на аналітичній вазі марки ВЛР-200 г з точністю мг. Для оцінки якості поверхневого шару зразків заміряли їх мікротвердість на приладі ХПО-10 при навантаженні 0,5 Н.

Дослідження на фретинг-зношування робочих поверхонь втулок проводили на установці МФК-1 за схемою „площина-площина” при зворотно-поступовому русі контрзразка відносно нерухомого зразка при постійній амплітуді та частоті зворотно-поступового руху (А = 100 мкм, v = 30 Гц). Питоме навантаження змінювали ступінчато, не перериваючи експеримент у діапазоні 5-55 МПа з дискретністю 10 МПа. Тривалість дослідів усього експерименту становила циклів.

Зразки були виготовлені зі сталі Ст. 3 у стані постачання та з сірого чавуну СЧ 18. Контрзразки виготовлені зі сталі 30ХГСА у загартованому і низьковідпущеному стані (HRC 38-40). Дослідження проводили без мащення.

У четвертому розділі „Дослідження впливу технології відновлення посадочних отворів корпусних деталях на їх довговічність” наведено результати досліджень величин і характеру спрацювань посадочних отворів корпусних деталей зернозбиральних комбайнів. Показано, що основним дефектом корпусних деталей є спрацювання посадочних отворів під підшипники. Величина спрацювання отворів корпусних деталей складала 0,04-0,07 мм. Найбільше значення величини спрацювання – 0,15-0,22 мм. За своїм характером спрацювання отворів нерівномірні, овальність спрацьованих поверхонь – 0,02-0,06 мм, а конусність – 0,02-0,04 мм. Теоретичний розподіл спрацювань отворів описано законом Вейбула, який показав, що більшість посадочних отворів корпусних деталей мають допустиме спрацювання. Коефіцієнти повторності дефектів корпусів знаходилися у межах 0,03-0,83; відновлення – 0,47-0,83 і придатні для подальшої експлуатації – 0,17-0,53.

На основі дослідження ресурсу роботи корпусних деталей одержано графічні залежності величин спрацювання посадочних отворів від напрацювання tr корпусів (рис. 3). Встановлено, що гарантоване напрацювання корпусу варіатора 54-10309В становить 815 год, корпусу 10174А валу кривошипу – 755 год, коромисла Н.069.02.008 – 680 год, корпусу варіатора 3518050-11036 – 1110 год, корпусу контрприводу жатки 3518050-11064 – 1024 год, корпусу 54-20055А валу контрприводу – 785 год, корпусу 3518060-12019 проставки – 985 год, корпусу привідного валу 3518020-43029 – 1160 год, корпусу варіатора жатки РСМ-10.08.01.104 – 1036 год, корпус 54-10058 коробки передач – 870 год. Отримані результати ресурсу можна використовувати при плануванні робіт з відновлення цих деталей.

Якість внутрішніх поверхонь втулок після розкочування є результатом комплексної дії конструктивних параметрів розкатика та параметрів процесу розкочування – подачі та натягу. Третій параметр – частота обертання, мало впливає на якість поверхні, що формується.

При малих значеннях натягу розкочування (і 0,05 мм) та подачі (Sв = 0,13 мм/об) шорсткість розкочених поверхонь дуже висока і складала більше Rа 0,64 мкм (рис. 4). При збільшенні величини натягу шорсткість поверхні втулки зменшується, проходить через мінімум і далі зростає. При подачі Sв = 0,13 мм/об найменшу шорсткість отримано при величині натягу і = 0,15-0,2 мм. При збільшенні подачі до Sв = 0,36 мм/об найменшу шорсткість втулки отримано при натягу і = 0,25 мм.

Дослідження точності форми, якості та розмірів розкочених втулок показали, що при збільшенні натягу розкочування конусність отворів збільшується, овальність має тенденцію до незначного збільшення. При малих значеннях натягу (0,1 мм) відбувалось неповне заповнення стику втулки деформованим металом, а при більших значеннях натягу (0,4 мм) спостерігали перенаклеп та відшарування металу втулки. Закономірність у зміні бочкуватості та сідлуватості при цьому не спостерігали, що можна пояснити малою шириною посадочного отвору у порівнянні з діаметром. Технічні вимоги овальності та конусністі посадочних отворів до 0,02 мм. Бочкуватість і сідлуватість не регламентується.

Важливою операцією при відновленні посадочних отворів корпусних деталей є формування полімерного прошарку в з’єднанні “втулка-отвір корпусу. Дослідження статичної міцності зчеплення в залежності від радіального зазору та шорсткості поверхні показали, що на міцність з’єднання суттєво впливають марка полімерного матеріалу, шорсткість оброблених поверхонь, а також величина зазору між зразком і втулкою.

Для більшості досліджуваних полімерних матеріалів зі збільшенням радіального зазору крива міцності з’єднань проходить через максимум. Максимальні значення міцності з’єднання „зразок-втулка” отримано при радіальному зазорі 0,1-0,12 мм.

На статичну міцність з’єднання „втулка-зразок” суттєво впливає і шорсткість розточеного отвору (рис. 5). Зі збільшенням величини шорсткості криві статичної міцності також переходили через максимум. Найбільшу статичну міцність з’єднання отримано для більшості полімерних матеріалів при шорсткості контактуючих поверхонь Rz = 40 мкм. Подальше збільшення шорсткості до Rz = 50 мкм зменшує статичну міцність. Максимальну статичну міцність з’єднань отримано при використанні анаеробних полімерних матеріалів „Loctite 638” та „Унігерм 9”. На нашу думку, найкращою шорсткістю розточеного отвору з точки зору статичної міцності з’єднання є Rz = 40 мкм.

Дослідження впливу температури на статичну міцність з’єднання „втулка-зразок” показали, що нагрівання зразків до температури 80 С не впливає на міцність з’єднань з використанням усіх полімерних матеріалів. Використання полімерних матеріалів „Loctite 638” та „Унігерм 9” забезпечує незмінну статичну міцність практично до температури 100 С. При подальшому збільшенні температури до 130 С статична міцність незначно понизилась.

При формуванні відновленого отвору важливими параметрами є геометрія отвору. Забезпечення правильної посадки втулки в отвір корпусної деталі здійснювали за допомогою пристрою для центрування. Перевірка внутрішніх поверхонь втулок після закінчення процесу полімеризації виявила стабільність геометричних параметрів при різних значеннях полімерного прошарку (радіального зазору).

Одним з найважливіших показників працездатності виробів в процесі їх експлуатації є опір динамічному навантаженню. Проведені дослідження показали, що міцність при динамічних навантаженнях з’єднання „втулка-корпус” суттєво залежить від середнього тиску на полімерний прошарок та діаметру отвору (рис. 6).

Зі збільшенням середнього тиску на полімерний прошарок час роботи з’єднання зменшується. Так, при дослідженні з’єднання „втулка-зразок” (діаметр отвору 72 мм) при середньому тиску 3 МПа ресурс роботи з’єднання становив більше 1000 годин. При збільшенні середнього тиску до 8 МПа – ресурс з’єднання становив більше 300 годин. При цьому слід відмітити, що характер кривої динамічної міцності має малу інтенсивність спаду величини міцності з часом. Зі збільшенням величини середнього тиску інтенсивність спаду міцності значно зростає. Зі зменшенням діаметру посадочного отвору під підшипник інтенсивність зменшення динамічної міцності з’єднання „втулка-зразок” зменшується. Слід відмітити, що міцність зчеплення відновлюваної втулки з корпусом аналогічна як при роботі у масляному середовищі так і при застосуванні пластичних мастил.

Тертя без мащення є найбільш жорстким режимом зношування пар тертя. Проведені дослідження показали, що робочі поверхні зразків, виготовлені за технологією відновлення посадочних отворів мають вищу зносотривкість у порівнянні з новими, виготовленими з сірого чавуну (рис. 7).

Найвищу зносотривкість має пара тертя у якої зразок виготовлений з розкоченою, зміцненою втулкою зі сталі Ст. 3, яка є приклеєна на полімерному матеріалі до чавунної основи. Підвищення зносотривкості складає 1,7-1,9 разів у порівняні з вихідною парою.

Для отримання математичної моделі, що описує процес зміни міцності з’єднання „втулка-розточений отвір” в часі при експлуатаційних режимах навантаження та взаємопов’язаному впливу інших факторів, були проведені багатофакторні дослідження. За вихідний параметр приймали зусилля випресовування з’єднання через кожні 100 годин роботи корпусної деталі. Змінними факторами були: х1 – радіальний зазор (товщина полімерного прошарку), х2 – шорсткість поверхні отвору, х3 – час роботи корпусної деталі.

У результаті обробки експериментальних досліджень отримано математичну модель зміни міцності з’єднання у часі:

(3)

В результаті оптимізації вхідних параметрів було отримано найбільшу міцність при зазорі 0,12 мм та шорсткості поверхні Rz = 40 мкм.

У п’ятому розділі „Технологія відновлення посадочних отворів корпусних деталей” розроблена інженерна методика проектування технологічного процесу відновлення посадочних отворів корпусних деталей розмірними сталевими зміцненими згортними втулками і полімерними матеріалами, наведено результати впровадження технології у виробництво та приведена її економічна ефективність.

Окремі етапи технологічного процесу відновлення спрацьованих отворів корпусних деталей схематично зображено на рис. 8. На цьому рисунку прийняті наступні позначення: 1 – спрацьований отвір; 2 – розточений отвір; 3 – різець розточувальний; 4 – пластина; 5 – втулка; 6 – матриця; 7 – надставка; 8 – основа; 9 – кулачки патрону токарного верстату; 10 – вузол формування геометрії втулки; 11 – направляюча; 12 – пристрій для центрування втулки; Dдоп, Dном, Ds, – діаметр отвору відповідно допустимий, номінальний і спрацьований; Dм, Dв – внутрішній діаметр матриці та втулки; Sрз, Sв – подача при розточуванні отвору і розкочуванні втулки; nрз, nв, nм – частоти обертання відповідно розточувального різця, сепаратора розкатника і матриці; Lпл, Нпл, tпл – довжина, ширина та товщина пластини; Рв, Р – зусилля запресовування втулки в матрицю та вузла формування геометрії втулки в направляючу.

Технологічний процес відновлення спрацьованих посадочних отворів корпусних деталей складається з наступних операцій: приймання в ремонт, очищення корпусних деталей, дефектування (рис 8, а), розточування посадочних отворів (рис 8, б), виготовлення розмірної втулки (рис. 8, д), складання деталей (встановлення втулки у отвір з центруванням) (рис. 8, к), контроль якості відновленого з’єднання.

Технологічний процес виготовлення розмірної втулки включає наступні операції: розрізання стального листа на пластини-заготовки, розрізання пластин-заготовок у розмір (рис. 8, в), зняття заусениць і фасок, встановлення згортних втулок у матрицю (рис. 8, е), розкочування згортних втулок (рис. 8, ж), контроль якості виготовлених втулок.

Технологічний процес складання деталей включає наступні операції: складання вузла формування втулки (рис. 8, з), знежирювання посадочних отворів і втулок; нанесення полімерного матеріалу на втулку; центрування втулок відносно отвору пристроєм з наступною полімеризацією (рис. 8, к); контроль якості та точності відновлених отворів.

Перевірка геометричних параметрів і якості відновлених посадочних отворів показала: відхилення діаметра отвору до 0,02 мм, овальність та конусність усіх корпусних деталей – 0,01-0,015 мм, співвісність осей отворів між собою до 0,03 мм, перпендикулярність осей отворів відносно базової площини до 0,04-0,06 мм на відстані 120 мм, відхилення міжосьової відстані до 0,05 мм. Усі відхилення є меншими, ніж допустимі за технічними вимогами на виготовлення нових деталей.

Стендові випробування корпусів за розробленою технологією їх відновлення показали збільшення ресурсу корпусних деталей в 1,2-1,3 рази порівняно з новими.

Запропонований технологічний процес та технологічне оснащення для відновлення посадочних отворів впроваджено на корпусних деталях зернозбиральних комбайнів СК-5 “Нива”, а саме: корпус коробки передач 54-10058, корпус 10174А валу кривошипу, корпус 54-20055А валу контрприводу, корпус варіатора 54-10309В, коромисло Н.069.02.008.

Експлуатація зернозбиральних комбайнів СК-5 “Нива” з відновленими отворами корпусних деталей на протязі 1-3 сезонів з напрацюванням 216-624 год показала, що відмов, внаслідок недостатньої довговічності посадочних отворів не спостерігали. Фактичний економічний ефект від впровадження технології відновлення зернозбиральних комбайнів склав 5296 грн.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в розробленні прогресивної технології відновлення спрацьованих посадочних поверхонь отворів під підшипники кочення у корпусних деталях з використанням згортних зміцнених сталевих втулок і анаеробних полімерних матеріалів. Цю задачу вирішено на основі дослідження спрацювання контактних поверхонь, впливу конструктивно-технологічних параметрів оснащення і режимів процесу відновлення на точність та якість відновлених поверхонь. В кінцевому розумінні запропоноване вирішення цієї задачі дозволить забезпечити продовження терміну експлуатації корпусних деталей і скорочення витрат на ремонт.

2. На основі проведеного мікрометражу корпусних деталей зернозбиральних комбайнів СК-5 “Нива”, Дон-1200, Дон-1500 (корпус 54-10058 коробки передач, корпус 10174А валу кривошипу, корпус 54-20055А валу контрприводу, корпус варіатора 54-10309В, коромисло Н.069.02.008, корпус 3518050-11036 варіатора, корпус 3518050-11064 контрприводу жатки, корпус 3518060-12019 проставки, корпус 3518020-43029 привідного валу, корпус РСМ-10.08.01.104 варіатора жатки) показано, що основним їх дефектом є спрацювання посадочних отворів під підшипники. Найбільше спрацювання поверхонь отворів корпусних деталей складало 0,15-0,22 мм. Коефіцієнт їх придатності до відновлення становив 0,47-0,83.

3. На основі проведених експериментальних досліджень одержано рівняння залежності величин спрацювання посадочних отворів ?S від часу роботи корпусних деталей tr, яке дозволяє об’єктивно визначати найбільш вірогідне значення напрацювання і гарантує імовірність досягнення такого ресурсу без додаткового контролю.

4. Розроблено технологічний процес відновлення спрацьованих посадочних отворів корпусних деталей, який полягає у розточуванні спрацьованої поверхні посадочного отвору, виготовленні згортної зміцненої сталевої втулки, нанесенні полімерного матеріалу на поверхню втулки, складанні деталей, фіксації просторового положення складених деталей, полімеризації полімерного матеріалу.

5. На основі застосування методу ліній ковзання і типового поля для випадку руху розкатника по пластичному напівпросторі теоретично визначена глибина зони пластичного деформування втулки в процесі її розкочування. Для забезпечення пластичного деформування втулки товщиною 1 мм на всю її глибину кут деформування втулки роликами розкатника повинен становити .

6. Експериментально встановлено, що на якість і точність форми та розмірів розкоченої втулки найістотніше впливають подача і натяг розкочування. Найраціональніші значення подачі знаходяться в межах S = 0,13-0,25 мм/об, а натягу – і = 0,15-0,25 мм, що забезпечує шорсткість внутрішньої поверхні втулки Ra = 0,3 мкм.

7. Розроблено математичну модель для визначення залежності міцності з’єднання „втулка-корпус” від параметрів процесу відновлення. Внаслідок оптимізації вхідних параметрів математичної моделі отримано найбільшу міцність при товщині полімерного прошарку 0,12 мм та шорсткості поверхні Rz = 40 мкм. Ці результати узгоджуються з даними експериментальних досліджень з точністю до 5 %.

8. Експериментально встановлено, що найвищу зносотривкість має пара тертя сталь ШХ 15-сталь Ст. 3, у якої згортна зміцнена втулка зі сталі Ст. 3 приклеєна за допомогою анаеробного полімерного матеріалу до чавунної основи. Підвищення зносотривкості складає 1,7-1,9 разів у порівнянні з вихідною парою (сталь ШХ 15-чавун СЧ 18).

9. На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблено інженерну методику відновлення посадочних отворів корпусних деталей. Цю методику впроваджено у виробництво для ремонту корпусів зернозбиральних комбайнів СК-5 „Нива” (Демидівський СВК „Агросервіс”). Проведені стендові випробування і виробничі дослідження показали, що відновлені за запропонованою технологією посадочні отвори корпусних деталей мають у більшості випадків ресурс вищий, ніж нових деталей. Фактичний економічний ефект від впровадження технології відновлення склав 5296 грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Хітров І.О. Визначення ресурсу вузлів „підшипник-посадочне місце” сільськогосподарських машин // Вісник Українського державного університету водного господарства та природокористування: Зб. наук. пр. – Вип. 2. – Рівне: Вид. відділ УДУВГП. – 2004. – С. 336-341.

2. Хітров І.О. Дослідження статичної міцності клеєвого з’єднання “кільце-внутрішня поверхня отвору” // Зб. наук. пр. Луганського національного аграрного університету. Серія: Технічні науки. – № 31. – Луганськ: Вид-во ЛНАУ. – 2003. – С. 209-213.

3. Молодик М.В., Кононогов Ю.А., Хітров І.О. Формуємо кільце в матриці // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства: Зб. наук. пр. – Вип. 17. – Харків: Вид-во ЧП Червяк. – 2003. – С. 85-89.

4. Тхорук Є.І., Хітров І.О. Теоретичні передумови підвищення довговічності нерухомих з’єднань анаеробними герметиками // Вісник Українського державного університету водного господарства та природокористування: Зб. наук. пр. – Част. 6, Вип. 5. – Рівне: Вид. відділ УДУВГП. – 2002. – С. 70-75.

5. Тхорук Є.І., Хітров І.О. Технологія відновлення посадочних місць під підшипники корпусних деталей анаеробними матеріалами // Вісник Українського державного університету водного господарства та природокористування: Зб. наук. пр. – Вип. 4. – Рівне: Вид. відділ УДУВГП. – 2002. – С. 348-355.

6. Тхорук Є.І., Хітров І.О. Відновлення деталей машин з використанням анаеробних матеріалів // Сільськогосподарські машини: Зб. наук. ст. Луцького державного технічного університету. – Вип. 8. – Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ. – 2001. – С. 308-313.

7. Пат. 60194 А Україна, МКВ В23Р6/00. Спосіб відновлення спрацьованих внутрішніх циліндричних поверхонь деталей / І.О. Хітров, М.В. Молодик, П.В. Гринько, Ю.А. Кононогов. – № 2003021754; Заявл. 27.02.2003; Опубл. 15.09.2003, Бюл. № 9. – 2 с.

8. Хітров І.О. Підвищення довговічності посадочних отворів корпусних деталей // Матер. 5-ї Міжнар. наук.-техн. конф. „Инженерия поверхности и