Тернопільський державний технічний університет

імені івана пулюя

Городецький іван миколайович

УДК 621.647.03:621.715.4

Технологічне забезпечення точності виготовлення керамічних розпилювачів

05.02.08 – технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тернопіль – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Львівському державному аграрному університеті Міністерства аграрної політики України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Василенко Ігор Іванович,

Львівський державний аграрний університет, професор кафедри "Технологія металів, метрологія та стандартизація".

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Петрина Юрій Дмитрович,

Івано-Франківський національний технічний універ-ситет нафти і газу, завідувач кафедрою "Технологія нафтогазового машинобудування";

кандидат технічних наук, доцент

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",

Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться "15" березня 2007 р. о 1400 год. 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 “ 14 ” лютого 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Данильченко Л.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Стан розвитку технологічних процесів у машино-будуванні, зокрема сільськогосподарському, вимагає істотного покращання експлуата-цій--них і технологічних параметрів машин та пристроїв, які б забез-печили високу конструктивну якість заготовок, деталей і відповідно робочих органів машин, дали змогу підвищити продуктивність праці та ефективність виробництва, поліпшити якість продукції, зменшити собівартість її виготовлення. Зокрема, важливе місце належить науково-технічній задачі, пов’язаній з розроб-ленням і вдосконаленням технологічних процесів (ТП) виготовлення керамічних щілинних розпилювачів (РП) – робочих органів машин для хімічного захисту – обприскувачів, призначених для інтегрованого хімічного захисту рос-лин, оскільки від якості їх виготовлення залежить економічність і екологічність технологічних операцій, що забезпечують поширення пестицидів у природному середовищі. В Україні більше 20 млн. га сільськогосподарських угідь щороку обробляють отрутохімікатами з використанням РП, і, як свідчить перевірка обприскувачів, найбільше конструктивно-технологічних недоліків припадає саме на РП.

На даний час керамічні РП виготовляють на універсальному устаткуванні з використанням ручної праці під час формоутворення заготовок розпилювачів (ЗРП); формувальні елементи (ЕФ), які визначають точність складних робочих поверхонь, виготовляють індивідуально, що відповідно призводить до зниження точності виготовлення РП, збільшення витрат матеріалів і затрат праці тощо.

Тому актуальними є задачі технологічного забезпечення точності РП, які повинні вирішуватися за рахунок розроблення нових пристроїв для підвищення точності ЕФ, дослідження параметрів формоутворення ЗРП, проектування устаткування і ТП виготовлення РП, використання елементів автоматизації одночасно з розробленням методів додаткового контролю якості ЗРП для зниження трудомісткості і витрат енергії у масовому виробництві РП.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. До-слі--дження проводилися відповідно до науково-технічних програм, що входять до затвердженої Кабінетом Міністрів України “Програми виробництва технологічних комплексів машин і обладнання для агропро-мислового комплексу на 1998-2005 роки” і згідно з тематичним планом науково-дослідних робіт Львівського державного аграрного університету (тема № 0100U002333 – "Розробка, впровадження енергозберігаючих механізованих процесів, технологій і систем аграрного виробництва та технічних засобів їх реалізації (дослідження технологічних процесів виготовлення керамічних щілинних розпилювачів підвищеної якості для інтегрованого захисту рослин)".

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – підвищення якості та продуктивності технологічного процесу виготовлення керамічних розпилювачів обприскувачів на основі ресурсозберігаючих технологій.

Для досягнення мети у роботі поставлені наступні задачі:

- проаналізувати існуючий стан виробництва керамічних РП, виокремити основні керовані й некеровані чинники технологічного процесу, що визначають особливості забезпечення точності ЗРП і РП, на цій основі розбити науково-методичні засади проектування ресурсозберігаючих технологій для виготовлення керамічних розпилювачів з відповідними конструктивними та технологічними параметрами;

- розробити математичну модель процесу тверд-нення керамічної маси у формі з постійним охолодженням під час формоутворення ЗРП, експериментально перевірити значення розрахованих параметрів;

- теоретично обґрунтувати вплив граничних відхилень розмірів ЕФ на якісні показники роботи РП з метою встановлення максимально можливих допусків на розміри;

- розробити технологічну схему, спроектувати і виготовити допоміжне спорядження для виготовлення комплектів пар ЕФ різних типорозмірів підвищеної точності;

- розробити технологічну схему процесу, спроектувати і виготовити устаткування для потокового формоутворення ЗРП щілинного типу з керамічних матеріалів (КМ) у багатомісній формі;

- обґрунтувати параметри потокової технології формоутворення керамічних щілинних ЗРП та енергозберігаючої технології їх термічного оброблення, розро-бити вихідні вимоги до матеріалів, технологічних пристроїв і ТП виготовлення РП з керамічних матеріалів;

- розробити інженерну методику проектування ТП виготовлення керамічних РП; провести виробничі випробування комплектів виготовлених РП і розробити практичні рекомендації для впровадження у виробництво розробленої технології, визначити економічну ефективність.

Об’єкт дослідження – технологічні процеси виготовлення щілинних РП з керамічних матеріалів.

Предмет дослідження – закономірності впливу параметрів технологіч-них процесів виготовлення керамічних щілинних РП на їх експлуатаційні показники.

Методи дослідження. Дослідження процесу забезпечення точності РП у процесі виготовлення здійснювалися на основі теоретичного аналізу й експери-ментів. У теоретичних дослідженнях використано методи диференціальних та інтегральних обчислень, основи теорій руху рідин і теплопередачі різних матеріалів, малих відхилень. Експериментальні дослідження проводились з використанням математичного мо-де-лювання та оптимального планування експерименту, математичної статистики й аналітичного оброблення даних, а також запропонованих методик визначення техно-логічних і конструктивних параметрів, проміжного контролю. Експериментальні дані статистично оброблено з використанням ЕОМ і пакету прикладних програм.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше:

- розроблено математичну модель процесу тверднення керамічної маси у формі з постійним охолодженням під час формоутворення ЗРП, експеримен-тально підтверджено значення розрахованих параметрів;

- розроблено технологічні основи виготовлення керамічних РП, прикладне програмне забезпечення для розрахунку температурного поля ЗРП, а також визначення впливу точності виготовлення керамічних щілинних РП на характеристики їх роботи;

- встановлено закономірності впливу основних параметрів процесу потокового формоутворення заготовок РП у багатомісних формах на їх якісні показники, а також на показники функціонування РП;

- встановлено аналітичні залежності для визначення впливу точності виготовлення щілинних РП на характеристики їх роботи з використанням методу найменших відхилень.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

- розроблено технологічні схеми для виготовлення комплектів ЕФ різних типорозмірів підвищеної точності, які використовують під час формоутворення заготовок керамічних щілинних РП;

- обґрунтовано і отримано основні параметри ТП потокового формоутво-рення керамічних ЗРП, що забезпечують змен-шен-ня затрат праці та витрат керамічної маси, підвищують продуктивність і якість ТП;

- запропоновано метод попереднього контролю якості ЗРП, що уможливлює економію енергетичних та матеріальних ресурсів під час виготовлення керамічних щілинних РП;

- запропоновано енергозберігаючу технологію термічного оброблення ЗРП, що забезпечує значну економію енергії та керамічної маси;

- розроблено інженерну методику і алгоритм проектування технологічних процесів виготовлення керамічних щілинних РП; спроектовано, апробовано й впроваджено у виробництво технологічне спорядження і ТП для забезпечення точності виготовлення ЕФ, а також потокового формоутворення заготовок керамічних щілинних РП.

Основні положення дисертації впроваджено у навчальний процес Львівського державного аграрного університету і використо-вуються для вивчення дисципліни “Технологія металів та інших конструкційних матеріалів” студентами факультету механізації сільського господарства.

Розроблені практичні рекомендації можна використовувати для забез-печення точності під час виго-товлення комплекту щілинних РП різних типорозмірів, а також інших малогабаритних деталей з керамічних матеріалів на підприємствах різних галузей народного господарства.

Особистий внесок здобувача. Розроблено теоретичні залежності для обґрун-ту-вання точності виготовлення ЕФ залежно від норм витрати РП, а також процесів наповнення формувальних порожнин та тверднення КМ, формоутво-рення ЗРП [2, 8, 9]. Теоретично обґрунтовано температурно-часові режими під час тверднення шлікеру у формі, розроблено конструкцію допо-міжних пристроїв для виготовлення комплекту ЕФ і реалізації способу формоутворення заготовок [5, 8]; розроблено та обґрунтовано схеми і режими, а також обладнання для потокового формоутворення ЗРП, їх термооброблення [5, 11-14]; опрацьовано результати теоретичних та виробничих досліджень ТП виготовлення керамічних РП [6-7, 15]; розроблено методики формо-утворення і проміжного контролю стану ЗРП, а також інженерну методику проектування спорядження і ТП виготовлення щілинних РП з КМ [10, 15], сформульовано основні вимоги до них. Постановку задач, аналіз і трактування результатів виконано спільно з науковим керівником та, частково, співавторами публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи заслухано і обговорено на: міжкафедральних семінарах Львівського ДАУ (Львів, 1998-2003, 2006); міжнародній науково-практичній конференції, присвя-че--ній пам’яті професора Є.Храпливого “Теорія і практика роз-вит-ку агропро-мисло-вого комплексу” (Львів, 1999); другому науково-практичному семінарі молодих вчених та спеціалістів “Вчимося господарювати” (Київ-Чабани, 1999); міжнародному науковому конгресі молодих вчених та студентів “Здоров’я села-здоров’я держави” (Львів, 2000); III міжнародному сим-по-зіумі “Україна-Австрія. Сільське господарство: наука і практика” (м. Чернівці, 2000); міжнародній науко-во-практичній конференції, присвяченій 10-й річниці конференції ООН з питань охорони навколишнього середовища та розвитку "Еколого-економічні проблеми розвитку АПК" (Львів, 2002), другій міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільсько-господарської техніки”, присвяченій пам’яті академіка Аніловича В.Я. (Харків, 2003); ХІ міжнародній науково-техніч-ній конферен-ції “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (Глеваха, 2003); міжнародній науково-технічній конференції “Біотехнології та біопалива в агропромисловому виробництві” (Київ, 2004).

Публікації. Результати наукових досліджень викладені у 17 друко-ваних працях, з яких - 1 колективна монографія, 9 статей у фахових збірниках наукових праць, 5 матеріалах і тезах наукових конфе-ренцій, 2 деклараційних патентах України на винахід. Загальний обсяг опублікованих праць становить 4,21 друк. арк., у тому числі частка автора – 3,31 друк. арк.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі всту-пу, чотирьох розділів, висновків і пропозицій, списку використаних літературних джерел із 165 назв та шести додатків. Робота викладена на 249 сторінках, з яких 134 основного тексту, містить 37 таблиць, 74 рисунки.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну та практичну значимість роботи.

У першому розділі “Сучасний стан застосування технологічних методів виготовлення керамічних розпилювальних пристроїв для обприскувачів” проведено огляд літературних джерел стосовно шляхів забезпечення точності виготовлення керамічних розпилювачів (КРП), проаналізовано характерні конструктивні особливості й недоліки (відхилення рівномірності розподілення отрутохімікатів і доз їх внесення комплектом нових РП від оптимальних значень на 20-70 %), технологічні вимоги та норми точності РП, а також методи і засоби технологічних процесів виготовлення ЗРП і РП з керамічних матеріалів. Розмаїтість конструктивного виконання спорядження і використо-вуваного устаткуван-ня вказує на багатоваріантність вирішення завдання щодо підвищення якості деталей, продуктивності формоутворення та зниження енерговитрат. Подано аналіз чинників, що визначають технологічні особливості забезпечення точності РП на кожному з технологічних етапів виготовлення, зокрема, параметрів ливарної системи (ЛС): кількості технологічної зв’язки, об’ємної маси ЛС, в’язкості, ливарної здат-ності тощо; параметрів формотворного обладнання: точності комплекту ЕФ, об’єму порожнини, форми та кількості ливарни-ків, довжини й площі ливарникових каналів, вентиляції форми тощо, параметрів термічного оброблення – температурно-часових режимів, конструкції допоміжних пристроїв тощо. Основними технічними вимогами конструкції керамічних РП є: забезпечення точності виготовлення за 9-11 квалітетами, шорсткість Rа = 2,5 мкм, відсутність на робочих поверхнях тріщин, вм'ятин, подряпин, порожнин, здуття, розшарування, слідів від стикування елементів форми тощо.

Аналіз ТП виготовлення керамічних РП висвітлює низку недоліків їх виго-товлення: низька продуктивність, недосконалість технологічних засобів формо-утворення, втрати КМ і значна кількість браку після термічного оброблення. Встановлено, що на якість керамічних РП найсуттєвіше впливають точність форм (ЕФ) та параметри процесу формоутворення ЗРП (температура ЛС, тиск подачі шлікеру, температура форми, час витримки у формі тощо).

Огляд теоретичних досліджень свідчить про необхідність конкре-ти-зації й розв’язання теоретично-прикладних задач процесу тверднення керамічної маси у формі з постійним охолодженням, що є частиною ливарникової системи, а також теоретичного обґрунтування впливу відхилень розмірів на якість роботи керамічних щілинних РП, призначення допусків на розміри ЕФ і РП, що забезпечують задане відхилення витрати РП.

У другому розділі “Теоретичні дослідження процесів виготовлення розпилювальних пристроїв з керамічних матеріалів” розроблено теоретичні передумови ТП забезпечення точності керамічних РП. Зокрема, окреслено загальні теоретичні засади ТП виготовлення РП за допомогою керамічних технологій, які характеризуються такими етапами: вибір (створення) керамічної ЛС, конструювання й виготовлення форм та допоміжного спорядження, формоутворення ЗРП заданих розмірів і форм, фіксація структури заготовки (термічне оброблення).

Ливарну систему вибирали на основі її характеристик, що свідчать про можливість отримання деталей з належною якістю робочих поверхонь.

Під час конструювання форм кіль-кіс-но оцінено вплив точності виготов-лення РП на показники їх роботи, що дозволяє визна-чити допуски на виконання розмірів РП (для забезпечення заданої точності збіжності витратних характе-ристик комплекту РП) і встановити допуски на робочі розміри ЕФ з урахуванням їх можливого спрацювання під час експлуатації. Тому, за методом малих відхи-лень, що полягає у визначенні відносної зміни витрати рідини (?Q/Q) через РП, що спри-чи-нена різними його розмірами, встановлено залежності відхилення витрати ріди-ни від точності виконання основних геометричних розмірів робочих повер-хонь. Відносну зміну витрати рідини, виз-на-чено з рівняння (від точності виготовлення робочих поверхонь щілинного роз-пилювача залежить добуток коефіцієнта витрати та площі випускного отвору ?•fc):

, (1)

де ?? – зміна коефіцієнта витрати рідини;

?fc – зміна площі поперечного перерізу випускного отвору щілинного РП, м2.

Визначено площу випускного отвору щілинного РП (рис.1):

. (2)

З урахуванням відхилень площу випускного отвору щілинного РП визначено за формулою:

де ?dо - дійсне відхилення довжини щілини, мм;

?hо - дійсне відхилення ширини щілини, мм.

За умови витікання рідини з вузької щілини розпилювача, у межах відношення dо/hо = 1,7-2,7, коефіцієнт витрати описано емпіричним рівнянням:

. (4)

Відповідно визначено зміну коефіцієнту витрати РП, що становить:

. (5)

За іншою схемою в інтервалі 1•102 Reн 1,5•105 і 2 lс/dс 5 коефі-ці-єн-т витрати рідини з циліндричного сопла визначено за емпіричною залежністю:

, (6)

де lс і dс – відповідно довжина каналу і діаметр випускного отвору, м;

Reн - число Рейнольдса.

З врахуванням того, що випускний отвір є щілиною еквівалентного діаметра (dс = ), визначено зміну коефіцієнта витрати:

. (7)

На основі співвідношень (1-7) з використанням програмування у середовищі Excel і Mat Cad проведено числові дослідження, які дали можливість визначити максимально можливе відхилення витрат за заданими відхиленнями розмірів dо і hо, або за заданим відхиленнями розмірів – зміну витрат РП. Розрахунки показують, що зміна витрат у межах ?Q/Q 5 % вимагає виконання розмірів з мінімальними допусками (4-8 мкм), що відповідає 5-6 квалітетам точності. Із збільшенням похибки до 15-25 % допуски на розміри зростають до 25-60 мкм, що відповідає 9-11 квалітетам, причому у розпилювачів з більшими абсолютними розмірами точність виконання основних робочих поверхонь знижується.

Процес якісного формоутворення ЗРП визначається конструктивними особливостями спорядження та стабільністю його роботи, особливо для потокового формоутворення. У зв’язку з цим, було встановлено основні взаємозалежності конструктивних особливостей спорядження й параметрів формоутворення, зокрема, довжини та діаметра ливарникових каналів, тиску подачі КМ, лінійної швидкості заповнення форми, часу, швидкості тверднення шлікеру тощо. Для заданих умов сформульовано умови якісного потокового формоутворення РП відповідно: –

за часом:

tt > , (8)

де tt – час, протягом якого стінка заформованої деталі твердне, с; t1 – час запов-нення формувальної порожнини; Vо – об’єм формувальної камери (формувальних порожнин), м3; V1 – швидкість рідини при вході у камеру, м/с; d – діаметр ливарникового каналу, м2;–

за тиском:

< Рф, (9)

де Роп – сукупність опорів (гідравлічних втрат питомої енергії) проходженню шлікеру у ливарниковій системі під час формоутворення, МПа; ? – густина шлікеру, кг/м3; ? – коефіцієнт місцевих втрат під час руху рідини; ?h – коефіцієнт втрат на тертя по довжині (коефіцієнт Дарсі – залежить від розмірів каналу та в’язкості рідини); V – середня швидкість руху шлікеру, м/с; Рф – тиск формоутворення, МПа.

Доведено, що процес тверднення шлікеру при зниженні температури у формі має важливе технологічне значення, оскільки реально є процесом утворення ЗРП. Його умовно можна розділити на етапи тверднення: 1) під час заповнення форми; 2) до утворення твердого прошарку; 3) усього об’єму заго-товки; 4) у твердому стані до виймання (температури навколишнього середо-ви-ща). Однак, реально за нескінченно малий проміжок часу dT відбувається знижен-ня температури dt і в певний час тверднення шару нескінченно малої товщини dr, тобто процес тверднення не ступінчастий, пошаровий, а неперервний. Для до-слідження стану шлікеру під час тверднення розглянуто нестаціонарне темпе-ра-турне поле однорідного циліндра зі скінченною довжиною l, зовнішнім r2 і внут-ріш-нім r1 радіусами (рис. 2), початкової температури циліндра Т0 = соnst. Між зовнішнім середовищем і циліндром відбувається конвективний теплообмін q по зовнішній бічній поверхні циліндра та його торцевих поверхнях, а внутрішню поверхню циліндра вважали теплоізольованою за температури середовища (води і форми) стаціонарної (не змінюється у часі) і постійної ? const.

Цю осесиметричну задачу опи-сано диференціальним рівнян-ням:

(10)

за початкової умови: t = 0, Т = Т0

і граничних умов:

при r = r2;

при r = r1;

Рис. 2. Розрахункова схема тверднення ЗРП при z = l/2;

при z = - l/2,

де ?, ?1, ?2 – коефіцієнти тепловіддачі; ? – коефіцієнт теплопровідності; z і r – по-ло-ження роз-глядуваних точок відносно системи координат.

Для зручності аналізу введено відповідно безрозмірні координати та час: ?r/r2, ? = z/l, ? = a·t/r22, ?1 = a·t/l2 і розв’язок задачі знайдено у такому вигляді:

T = ? + (T0 – ?) T1 T2, (11)

де T1 = T1 (?, t), T2 = T2 (?, t).

Функцію Т2 (?, ?1) визначено за залежністю:

, (12)

де Dk – частка сталих; ?k – довільна величина, що залежить від питомої теплоємності тіла; Аk – коефіцієнт алгебраїчного рівняння.

Функцію Т1(?,?) визначено за залежностями:

, (13)

, (13 а)

де Мk, Nk, ?k – довільні сталі; J1(??) і Y1(??), J0(??) і Y0(??) – функції Бесселя першого і нульового порядку відповідно першого і другого роду.

Постійні Мк знаходимо за умови, що розв’язок (13) задовольняє початкову умову при ? = 0 і Т1 = 1, тобто:

. (14)

Зберігаючи у цій сумі m доданків і надаючи ? певну кількість m значень з проміжку d ?s 1, при s = 1, 2, … m, одержимо лінійне рівняння для знаходження m значень сталих Мк:

. (15)

Таким чином, спільний розв'язок рівнянь (11), (12), (13) і (15), що описують нестаціонарне температурне поле циліндра певної довжини з врахуванням відпо-відно умов d ? 1, –0,5 ? 0,5, та значень C1 = ?1•l/?, C2 = ?2•l/?, C3 = ?1•?2/?, а також допоміжних Ак, Вк=Дк•А; Мк, Nк=-J1(Вкd)•Mк/Y1(Вкd), дозволяє ви-зна-чити темпе-ра-турно-часові пара-мет-ри процесу тверднення залежно від конструк-тивних особливостей формотворного спорядження, розмірів ЗРП, регулювання процесів і теплофізичних характеристик матеріалів (форми, ЕФ). Числові дослідження зазначених рівнянь свідчать, що за умови інтенсивного охолодження (тепловіддача по боковій і торцевих стінках – більше 800 Вт/м2•К) відбувається зниження температури від 353 до 303 К залежно від розглядуваної точки наступним чином: у ? = 0,41 і ? = 0,41–0,95 – від 7 до 3 с; у ? ,25 і ? = 0,41–0,95 – від 8,5 до 4,5 с; у ? = 0,11 і ? = 0,41–0,95 відповідно від 10 до 5,5 с. За умови зменшення коефіцієнта тепло-від-дачі до 650-590 Вт/м2•К і температури від 353 до 303 К залежно від місця (? = 0,41 і ? = 0,41–0,95) остигання відбу-ваєть-ся за час 13,5 - 8,5 с; у ? = 0,25 і ? = 0,41–0,95 – за 14,5 - 10 с; у ? = 0,11 і ? = 0,41–0,95 відповідно за 16,5 - 11 с, що для крайніх точок становить 13,5 - 16,5 с.

На підставі існуючих і розроблених теоретичних закономірностей запро-поновано схему потокового формоутворення ЗРП за рахунок виконання частин ливарникової системи з матеріалів різної теплопровідності, а також додаткового ізолювання форми, тобто між ливар-ни-ковою системою, виготовленою з алюмі-нієвого сплаву (?1 = 134 Вт/м?к), в якій керамічна маса постійно підтримується у розплавленому стані, встанов-лено перегородку з матеріалу з низькою теплопро-від-ністю (?2 = 0,2 Вт/м?к), а частини форми з формувальними порожнинами, у яких утворюються ЗРП, виготовлено з високо-вугле-цевої сталі (?3 = 36 Вт/м?к).

У третьому розділі “Програма, методика і результати експеримен-тальних досліджень” наведено програму експериментів, методику її виконання, а також отримано результати та проведено їх аналіз. Програмою передбачається перевірка достовірності та ступеня точності наведених аналітичних залежностей і припущень з метою встановлення оптимальних конструктивних і технологічних параметрів процесів виготовлення РП з керамічних матеріалів.

Згідно з програмою розроблено конструкцію спорядження для формоу-тво-рення ЗРП (рис. 3), допоміжне спорядження для виготовлення комплектів ЕФ різних типорозмірів.

Рис. 3. Спорядження для формоутво-рен-ня заготовок РП: а) схема; б) загальний вигляд

Для формоутворення ЗРП керамічну масу заливали у нагрітий до певної температури резервуар 4 і перемішували. Одночасно нагрівали електричними елементами 5 механізм подачі шлікеру 3 і ливарникову систему 2 до температури формування. Вмикали подачу води у системі охолодження. Під дією транспор-тера-змішувача резервуара 4 рідкий шлікер подавали до механізму подачі 3 і далі до ливарників 2, через які КМ заповнює формувальні порожнини підготовленої форми 1, де твердне, утворюючи ЗРП. Далі відключали подачу шлікеру і за допомогою пневмоциліндра розкривали форму 1. У певному положенні рухома плита форми через тяги і тарілку діє на виштовхувальні втулки, котрі відрізають ливарники та виштовхують готові вироби. Після зняття ЗРП пневматичним циліндром збирали форму, і цикл формування повторювали. Керували процесами, а також контролювали їх за допомогою системи управління з пульта 6 з покажчиками температурних режимів та контрольними лампами, які розміщено на станині 14 машини. Додатковими пристроями є: джерело стисне-ного повітря (компресор) 9 і вакуумний насос 10, електропневматична система пристроїв керування пневматичним приводом 7 і регулювання температури 8, а також пульта управління 6 технологічними про-це-сами під час формоутворення.

Для забезпечення точності робочих по-вер-хонь комплекту ЕФ у верстатний до-поміжний пристрій (рис.4), спеціально під--го-товлені (оброблені до потрібних роз-мірів та форми) заготовки 5 встанов-лювали з незначним натягом між двома призматичними пластинами 6, зовнішні біч--ні грані яких виконано під кутом (? = = 0 – ?еф/2, де ?еф – кут між площинами, що утворюють робочу поверхню ЕФ), що за-без-печує точність комплекту ЕФ. Для забезпечення точності глибини півсфе-ричної комірки поверхні стикування ЕФ, після встановлення заго-товок у допоміж-ний пристрій і попе-реднього скріплення призматичних пластин 6, у торцеві ко-мір-ки з півсферич-ними поверхнями вкладали кульки 4 однакового діаметра, які впиралися у гартовану та шліфовану по-верх-ню упорної пластини 2, забез-пе-чуючи базування по внутрішніх поверхнях впадин ЕФ 5. Далі кінцево скріплю-вали болтами 1 і 7 через шайби 3 і 8 призма-тичні та упорну пластини, встанов-лювали пристрій на плиту упорною пластиною вверх і у простір між ЕФ заливали суміш епоксидного клею для запобігання їх зміщення під час кінцевого шліфування. Після фіксування пристрою шліфували торці, що забезпечує точність глибини комірок комплекту ЕФ, потім – почергово бічні похилі поверхні ЕФ, кут яких забезпечується нахилом граней пластин 6.

За розробленою методикою попередніх експериментальних досліджень отримано залежності (16)-(20), що характеризують стан ЛС (рис.5) у різних частинах форми і ливарникових каналах під час формоутворення:

tЕ = 349 - 1,57Т + 0,079Т 2 - 0,002Т 3; (16)

tЕ' = 350 - 2,83Т + 0,07Т 2 + 0,0008Т 3; (17)

tА = 349 - 5,79Т - 0,003Т 2 + 0,0035Т 3; (18)

tБ = 349 - 4,29Т - 0,068Т 2 + 0,0057Т 3; (19)

tВ = 350 - 8,55Т + 0,28Т 2 - 0,0081Т 3. (20)

У зупиненому потоці шлікеру за рахунок конструктивних особливостей форми, матеріалу ливарників і прес-форми, у перехідній зоні Е керамічна маса постійно перебуває у рідкому стані. Після повного затвердіння ЗРП (від 3-6 до 10-16 с) температура КМ у зоні Е (див. рис. 5, лінії Е-Е') знижується лише до початку кристалізації, що під-тверджує теоретичні припущення і дозволяє автоматизувати процес формування.

Підбір емпіричних формул, що відповідають експериментально отриманим закономір-ностям, полягав у виборі типу формули та визначенні її коефіцієнтів за методом найменших квадратів з використанням програми Excel пакета прикладних програм Microsoft Office.

Рис. 6. Загальний вигляд ЗРП, отриманих під час дослідження стану шлікеру (попереднього формоутворення): а) якісне заповнення форм; б) недоливання формувальної порожнини; в) незливання потоків навколо ЕФ

Попередні дослідження уможливили виокремлення основних параметрів ТП формоутворення: температура КМ (Тм), тиск подачі КМ (Рм), температура форми (Тф), вплив яких на якісні показники структури ЗРП (масовий коефіцієнт ущільнення, коефіцієнт нерівномірності) є складний та нелінійний. Тому для оцінки параметрів ТП за розробленою методикою було проведено багатофакторні експерименти відповідно до симетричних планів. Чинники варіювали на трьох рівнях, величину їх зміни встановлено на основі аналізу літературних даних, попередніх дослідів та можливостей спорядження. Для визначення впливу параметрів процесу формоутворення на якість ЗРП проводили п'ятнадцять серій дослідів з трикратною повторюваністю на різних режимах, у результаті отримано залежності масового коефіцієнта ущільнення kум ЗРП у кодованих (21) та дійсних (22) значеннях змінних:

Y1м=1,36 + 2,98 • 10-2Х1 + 2,45 • 10-2Х2 + 1,54 • 10-2Х3 – 0,63 • 10-2Х21 – 0,48 • 10-2Х22 + + 0,85 • 10-2Х23 – 0,11 • 10-2Х1Х2 – 1,28 • 10-2Х1Х3 – 0,52 • 10-2Х2Х3; (21)

kум = – 4,62 + 5,82 • 10-2Тм + 1,09Рм – 3,50 • 10-2Тф – 3,21 • 10-5Тм2 – 7,68 • 10-2Рм2 +

+ 1,33 • 10-4Тф2 – 3,14 • 10-4ТмРм – 1,14 • 10-4ТмТф – 0,26 • 10-2РмТф. (22)

Встановлено, що для темпера-ту-ри КМ під час формо-утво--рення 345 К і тиску 0,5 1,0 МПа масо-вий кое-фіцієнт ущі-ль----нення kум ЗРП у формі тем-пе--ратурою 287-303 К становить від 1,3210-3 до 1,40 10-3 кг (рис. ).

Із зростанням Тш до 359 К і зміною значень Рш від 0,5 до 1,0 МПа значення kум зростають і при фор-мо-утворенні з Тф = = ; 295 і 303 К ста-новлять відповід-но від 1,356 10-3 до 1,419 10-3 кг, але із зниженням Тш до 331 К і при аналогіч-них зна-чен-нях Рш зна--чен-ня kум ста-нов-лять від 1,268 10-3 до 1,376 10-3 кг (рис. , а, б).

Ступі-нь відпо-від--ності резуль-татів ба-гатофак-тор-них експе-риментів перевірено за критерієм Gв (Кор-хена), адекватність мо---де-лі – за кри-те-рієм Fa (фішера).

Після отримання якісних заготовок РП проведено їх термічне оброблення. З метою уточнення особливостей ТП термооброблення ЗРП для забезпечення якості РП, досліджували процес видалення технологічної зв’язки, зокрема, для шлі-ке-ру з 11 %-ю кількістю термопластичної зв’язки, встановлено максимальну швидкість бездеформаційного нагрівання, що становить 0,9 ?С/хв. Означено чинники, що запобігають дефор-му-ван-ню ЗРП під час нагрівання, встановлено, що часткове видалення зв’язки, що досягається при 455 К, значно підвищує міцність ЗРП, яка з подальшим підвищенням до температури 600 К зростає несуттєво. Запро-понована схема термічного оброблення ЗРП скорочує тривалість операцій, покращує якість керамічних виробів і зменшує затрати енергії.

Четвертий розділ “Розробка засобів, обладнання і технологічних процесів виготовлення керамічних РП для обприскувачів” містить рекомендації щодо призначення технічних вимог до шлікерів, спорядження та інструментів для виготовлення комплекту керамічних щілинних РП. Враху-вання запропонованих рекомендацій дає можливість отримати заготовки й деталі належної точності, високої експлуатаційної надійності та низької собівартості. Розроблено інженерну методику проектування ТП виготовлення РП, що за-безпе-чує якісні характеристики РП на всіх етапах їх виготовлення: 1) вибір КМ і ЛС; 2) проектування формувального спорядження (вибір схеми фор-моут-ворення, визначення кон-структ-ивних параметрів елементів тощо); 3) роз-рахунок пара-мет-рів ТП формоутворення і термічного оброблення.

Випробування розроблених і удо-ско-на-лених ТП та спорядження уможли-вило розкриття особливостей пото-ко-вої технології формоутворення ЗРП, окрес-лення етапів циклу tц (рис.9). Відповідно до розробленої методики і циклограми проводили випробування потокового ТП формоутворення з контролюванням якос-ті ЗРП. Проведений аналіз свідчить, що значення kум у початковий період (пер-ших 3-4 цикли) коли-ваються в межах від 1,21 до 1,42; наступні 2-3 цикли – 1,31-1,42; далі з 6-7 циклу почи-нається період якісного формоутворення (kум = 1,34-1,42·10-3). Коефіцієнт варіа-ції коли-вається в межах 31,8-33,9 %, що свідчить про значну мінливість значень, харак-тер-них для нормального закону розподілу. Відповідність теоретич-ного роз-по-ділу емпіричному підтверджується критерієм ?2 Пірсона, ймовірності якого є меншими за табличні значення.

Для зниження втрат КМ і енергії на операції термічного оброблення ЗРП розроблено розрахунково-масовий метод попереднього контролю якісного стану заготовок РП за kум ЗРП, зна-чен-ня якого порівнювали з мі-ні-мально допустимою масою ЗРП ([Мді]), яка забез-печує якіс-не функціонування РП піс-ля їх термічного оброблення, тоб-то перевіряли умови: kум [Мді] – якісна ЗРП; kум [Мді] – бракована.

Лабораторно-виробнича пе-ре-вірка виготовлених РП пока-зала, що середня витрата Q02 (типорозмір 1.6) і Q03 (2.5) з максимальним kум > 1,34 (рис. 10, а) для зміни тиску 0,2-0,5 МПа становить відповідно 1,13-1,71 та 1,77-2,87 л/хв; у межах 1,34 > kум > 1,26 середня витрата становить відповідно 1,14-1,81 та 1,8-2,9 л/хв; для 1,29 > kум – відповідно 1,22-2,85 та 1,85-2,96 л/хв. Розглядаючи вплив kум, слід відзначити, що із зниженням kум до значення 1,34 – 1,26 коефіцієнт варіації (V) (рис. 10, б) підвищується на 50,1 – 65,2 % та 40,8 – 49,3що відповідно становить 19,5 – 26,1 % та 22,1 – 24,5 %. Із зниженням коефіцієнта ущільнення нижче 1,26 коефіцієнт варіації підвищується майже вдвічі і становить 26,1-35,1для типорозміру 2.5 і 28,1-32,1 % для типороз-міру 1.6. Це свідчить про те, що експлуатація РП з максимальними значеннями kум суттєво покращує якісні параметри та забезпечує значний економічний ефект виготовлених за розробленою технологією керамічних щілинних РП.

висновки

1. У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове розв’язання науко-вої задачі, що полягає у технологічному забезпеченні точності виготовлення керамічних РП шляхом розроблення високопродук-тивних ресурсоощадних техно-ло-гіч-них процесів і схем формоутворення, використання методів оброблення повер-хонь, методичних засад проектування верстатного устаткування зі створенням споряджен-ня для їх реалізації, що уможливлюють отримання керамічних розпилювачів, які характеризуються покращеними експлуатаційними показниками, що є одним із важливих чинників забезпечення екологічності процесів хімічного захисту у сільському господарстві.

Аналіз стану застосування технологічних методів і засобів їх реалізації, конструктивно-технологічних параметрів виготовлення ЗРП і РП з керамічних матеріалів показав, що вони не відповідають техніко-економічним вимогам за якістю і точністю робочих поверхонь за 9-11 квалітетами, шорсткості у межах допусків, допускають значні додаткові втрати КМ і брак РП, існуючі ТП виготовлення РП з керамічних матеріалів здійснюються малоефективними засобами та методами, зокрема, формоутворення ЗРП відбувається з використанням ручної праці, на устаткуванні низької продуктивності, з періодичним ручним прочищенням ливарникових каналів тощо.

На основі проведених комплексних досліджень, теоретичних пошуків та узагальнень проаналізовано визначальні чинники, виокремлено – керовані, що відповідно формулюють напрями розв’язання науково-прикладної задачі, які забезпечують виготовлення заготовок і розпилювачів підвищеної точності шляхом формування необхідних фізико-механічних і конструктивних параметрів.

2. Визначено відносну зміну витрати рідини, що спричинена різними розмірами робочих поверхонь розпилювача щілинного типу. Зміна витрати у допустимих межах (?Q/Q 5 %) вимагає виконання розмірів з мінімальними допусками (4-8 мкм), що відповідає 5-6 квалітетам точності (1-2 класи). Із збільшенням похибки до 15-25 % допуски на розміри зростають до 25-60 мкм, що відповідає 9-11 квалітетам, причому у розпилювачів з більшими абсолютними розмірами точність виконання основних робочих поверхонь зменшується.

3. Вперше розроблено математичну модель, що дозволяє визначити темпе-ра-турно-часові пара-мет-ри процесу тверднення РП у формі залежно від конструк-тивних особливостей устави, розмірів ЗРП, технологічного регулювання процесів, властивостей і теплофізичних характеристик матеріалів (форми, знаків). Числові дослідження моделі свідчать про те, що тверднення малогабаритних ЗРП за умови інтенсивного охолодження відбувається протягом 13,5 - 16,5 с.

4. Вперше сформульовано умови потокового формоутворення заготовок РП, запро-поновано нову схему автоматизації процесу потокового формування ЗРП за рахунок виконання частин ливарни-кової системи з матеріалів різної теплопровідності, а також додаткового ізолювання форми від ливарникової системи таким чином, що основ-ний перепад температур від 354 до 304 К відбу-вається в ізоляційній прокладці, керамічна маса у ливарникових каналах постійно перебуває в розплавленому стані (355 К).

5. Для забезпечення точності формоутворення заготовок щілинних розпилювальних пристроїв розроблено допоміжне верстатне устаткування, що уможливлює зменшення кількості операцій ТП, підвищує ефективність і точність виготовлення комплектів ЕФ (відповідно ЕК і ЕД) зі складними геометричними формами робочих поверхонь різних типорозмірів. Устаткування можна викорис-то-вувати для точного оброблення різних похилих і півсферичних поверхонь.

6. За розробленою методикою і на спроектованому устаткуванні проведено експериментальні дослідження впливу параметрів формоутворення на якість ЗРП, зокрема, встановлено, що при температурі шлікеру (Тш) під час формування 345 К і тиску формоутворення (Рш) від 0,5 до 1,0 МПа масовий коефіцієнт ущільнення ЗРП у формі температурою 287 - 303 К становить від 1,3210-3 до 1,39810-3 кг. Із зро-с-тан-ням температури шлікеру до 359 К і зміною значень тиску шлікеру від 0,5 до 1,0 МПа значення kум зростають і у випадку формування з температурою форми відповідно 287; 295 і 303 К становлять від 1,3561 10-3 до 1,4188 10-3 кг, а із зниженням Тш до 331 К при аналогічних зна-чен-нях Рш значення kум відповідно змінюються і становлять від 1,268 10-3 до 1,376 10-3 кг.

7. Обґрунтовано чинники, що визначають особливості термічного оброб-лення ЗРП, встановлено, що часткове видалення зв’язки, що досягається при 455 К, значно підвищує міцність ЗРП, яка з подальшим підвищенням до температури 600 К зростає несуттєво. Запропонована схема термічного оброблення ЗРП скорочує тривалість операцій, покращує якість керамічних виробів і в 1,5-1,8 раза зменшує затрати енергії.

8. Розроблено рекомендації щодо призначення технічних вимог до шлікерів, конструкцій устав, спорядження та інструментів для виготовлення керамічних щілинних розпилювальних пристроїв підвищеної точності. Розроблено узагаль-нену структурну схему, інженерну методику та алгоритм проектування технологічного процесу і спорядження для виготовлення РП.

9. Випробу-вання розроблених і вдосконалених технологічних процесів та споряджен-ня уможливило розкриття особливостей потокової технології формоутворення ЗРП, окреслення раціонального циклу, встановлення його тривалості на різних етапах. Запропонований метод проміжного контролю ЗРП уможливлює економію від 5 до 20 % керамічних матеріалів, що знижує витрати енергії на термооброблення, затрати праці та собівартість виготовлення РП.

10. Лабораторно-виробнича перевірка функціонування керамічних щілин-них РП, виготовлених за розробленою технологією, показала, що коефіцієнт варіації (у РП з kум > 1,34) знижується порівняно із серійними на 49,7-53,6 % для типорозміру 2.5 і на 50-54,8 % для типорозміру 1.6. Із зниженням масового коефіцієнта ущільнення до значення 1,34 - 1,26 коефіцієнт варіації підвищується на 50,1 – 65,2 % та 40,8 – 49,3 %, що відповідно становить 19,5 – 26,1 % та 22,1 – 24,5 %. Із зниженням коефіцієнта ущільнення нижче 1,26 коефіцієнт варіації становить 26,1-35,1для типорозміру 2.5 і 28,1-32,1 % для типороз-міру 1.6, що підтверджується випробуваннями комплектів РП на Львівській машино-випро-бу-вальній станції.

11. Економічні обґрунтування свідчать про те, що річний економічний ефект від експлуатації (при повному нормативному річному завантаженні) на обприскувачах ОП-2000 комп-лектів виготовлених за розробленою технологією щілинних РП становить відповідно для типорозміру 1.6 від 90 до 315 тис. грн. (залежно від режимів робо-ти – 0,2-0,5 МПа) і аналогічно для типорозміру 2.5 – від 60 до 243 тис. грн.

На основі результатів теоретичних і експериментальних досліджень запро-екто-вано, розроблено, випробувано та впроваджено на ВАТ "Львівагромаш-проект" та ВАТ "Львівський завод фрезерних верстатів" устаткування для формо-утворення керамічних щілинних ЗРП і виготовлення комплекту формувальних елементів. Результати роботи захищені двома деклараційними патентами України на винаходи і впроваджені у навчальний процес на кафедрі "Технологія металів, метрологія і стандартизація" Львівського державного аграрного університету.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1.

2.