Повышение эксплуатационной надежности автоматизированного технологического оборудования на основе управления процессами в трибосопряжениях

Одной ив главных проблем современного машиностроения яЕЛяет-ся проблема повышения надежности и долговечности машин. Высокие требования, предъявляемые к выпускаемым машинам и автоматизированному технологическому оборудованию, е значительной мере обеспечиваются эксплуатационными свойствами их деталей и узлов.

Одним из главных направлений научно-технического прогресса в станкостроении является повышение ресурса и эксплуатационной надежности станков, систем, узлов и шмплектующих изделии [1461.

Процессы, снижающие надежность механических узлов, принято классифицировать на быстропротекающие, средней скорости и медлен-нотекущие. К последним относят процессы старения и изнашивания деталей трибосопряжений (ТО). Значительная часть отказов металлорежущих станков CMPC) и автоматизированного технологического оборудования (ТО) связана с процессами в ТС формообразующих узлов, таких как передачи винт-гайка, направляюще, фрикционные передачи и других, входящих в замкнутые контуры регулирования приводов, нарушение характеристик которых приводит к снижению качества обработки изделий.

Большинство отказов машин, приборов и механизмов происходит в результате износа контактирующих поверхностей элементов ТС, а не от того, что отдельные детали оказываются недостаточно прочными и ломаются при эксплуатации. Затраты на восстановление и ремонт машин, изношенных при эксплуатации, в десятки раз превосходят затраты на приобретение новых. Прежде всего это связано с низкой износостойкостью элементов ТС, которая приводит не только к их функциональным отказам при эксплуатации и ограничению технического ресурса, а также повышению энергозатрат, но и к полному прекращению функционирования машин и приборов — возникновению отказов вследствие заклинивания.

Большой интерес представляют способы повышения износостойкости и технических характеристик ТС, основанные на использовании комбинированных физико-технических процессов, которые не требуют коренных изменений в конструкциях и технологии изготовления, эксплуатации и ремонта, а также больших затрат на приобретение исходных материалов. В связи с этим актуальной научной и практической задачей является системное изучение взаимосвязи между процессами самоорганизации при работе ТС и разработка способов управления их функциональными и параметрическими характеристиками, обеспечивающими эксплуатационную надежность ТО.

Проблема повышения стойкости к изнашиванию и восстановления изношенных деталей становится особенно острой в условиях дефицита запасных частей и больших затрат на ремонт и обслуживание. В последние годы накоплен широкий опыт по применению конструкционных материалов, смазочных масел и композиций, обеспечивающих процесс безызносного трения в узлах машин на основе явления избирательного переноса (Ш), реализация которого позволяет получить большой технический и экономический эффект. В этих условиях большой интерес представляют способы повышения эксплуатационной надежности автоматизированного ТО и MPC за счет увеличения износостойкости и восстановления изношенных элементов ТС, основанные на использовании эффекта Ш1, которые не требуют больших изменений в конструкциях и технологии изготовления, эксплуатации и ремонта ТС, а также больших затрат на приобретение исходных материалов. Кроме того использование эффекта МП дает возможность получить изнооные характеристики, восстановленных при ремонте, поверхностей ТС, превосходяще аналогичные свойства новых. По использованию Щ выполнено много работ, в том числе — в технологии нанесения фрикционных покрытий и применения метаапоплакирующих смазочных материалов (СМ), вместе с тем, применение известных конструкций и способов реализации эффекта Щ в исследуемых 1С без учета специфики и условий их работы, не дает ожидаемых результатов. Результаты внедрения ЙЗЗ не всегда удовлетворяют требованиям эксплуатации и иногда даже дают отрицательный результат. Это говорит о том, что механизмы ИП недостаточно изучены, а разработанные на их основе способы повышения износостойкости не могут быть эффективными для различных узлов, режимов и условий даже в пределах одной машины или прибора.

Повышение эксплуатационной надежности ТС автоматизированного ТО требует разработки эффективных способов автоматического контроля процессов при трении и изнашивании, а также диагностирования состояния рабочих поверхностей их элементов, для оперативного управления этими процессами. В связи с этим значительный научный и практический интерес представляет системное изучение взаимосвязи между процессам самоорганизации при Ш и разработка способов управления функциональными и параметрическими характеристиками ТС.

В данных исследованиях используется энергетический подход к анализу процессов трения, также механизмов Ш1 и нормального окислительного трения (НОТ) в ТС. Делается попытка объяснить их природу с помощью интерпретации в ТС автоматизированного ТО, машин и приборов эффектов активации процессов, сопровождающих трение и изнашивание, которые были обнаружены и исследованы ранее в слаботочных скользящих электрических контактах.

Цель работы — повышение эксплуатационной надежности автоматизированного технологического оборудования на основе диагностирования состояния и управления процессами в трибосопряжениях по интегральным стохастическим параметрам контактных взаимодействии их элементов.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Построение модели трибосопряжений формообразующих узлов автоматизированного технологического оборудования, позволяющей обосновать методы управления их состоянием,.

2. Разработка методики автоматизированного диагностирования состояния элементов трибосопряжений формообразующих узлов технологического оборудования, ориентированной на оперативное управление физико-техническими процессами в трнбооопряжениях, и апробирование ее на физических моделях и реальных узлах.

3. Разработка системы автоматизированного диагностирования состояния элементов трибосопряжений и оценки их работоспособности при экспериментальной проверке способов управления процессами в них и при эксплуатации.

4. Апробирование методики диагностирования состояния трибосопряжений в производственных условиях при реализации шизикетехнических способов повышения эксплуатационной надежности формообразующих узлов автоматизированных металлорежущих станков.

Научная новизна работы заключается в обосновании метода повышения параметрической и функциональной надежности формообразующих узлов металлорежущих станков на основе обеспечения устойчивости состояния элементов их трибосопряжений с использованием автоматизированного диагностирования по интегральны},! стохастическим показателям и управления физико-техническими процессами, ориентированными на создание отказоустойчивых узлов автоматизированного технологического оборудования.

Практическая ценность и реализация результатов работы, На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны, апробированы и внедрены.*.

— методика и технология ускоренной приработки фрикционных пар червячных редукторов, система автоматической импульсной смазки и диагностирования состояния направляющих внутришлифовальных станков модели ЗМ225ВФЙ на АО «Микрошлиф» ;

— методики автоматизированного диагностирования состояния и повышения надежности подшипников качения за счет реализации эффекта избирательного переноса на ОАО ОГЗЗ;

— методики автоматизированного контроля процессов контактных в в зимод 9 йс твий е элементах фрикционных многоступенчатых передач и повышения функциональной и параметрической надежности приводов подачи токарных модулей ШАРМ-100 на АОЗТ «НПК ПО» ,.

— изготовлена на АООТ «НИТИ-ТЕОАР» малая серия автоматизированных приборов контроля контактирования для предприятий отрасли, где они применяются для контроля и диагностирования состояния элементов трибосопряжений при эксплуатации автоматизированного технологического оборудования и приборов.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на следующих научных конференциях: 3 Всесоюзном совещании «Физика отказов» (Москва, 1984 г.).- Российской межвузовской научно-технической конференции «'Фундаментальные проблемы металлургии» (Екатеринбург, 1995) — Международном научно-практическом симпозиуме «Олавянотрибо-З» (Рыбинск, 1995) — Международной научно-техни-чесой конференции «Точность автоматизированных производств (ТАЛ-97)» (Пенза, 1997 г.) — Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем» (Пенза, 1997 г.) — Российской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (Москва, .1997) — Международной научно-технической конференции «Точность технологических и транспортных систем» (Пенза, 1998 г.) — ежегодных научно-технических конференциях СРТУ и семинарах кафедры «Автоматизация технологических процессов и производств» .

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (163 наименования) и 5 приложений, включает 191 страниц машинописного текста, 9 таблиц и 56 рисунков.

Результаты исследования процессов получения и испытания тонкопленочных покрытий, нанесенных ионно-лучевым методом, позволяют сделать следующие выводы:

— метод ионно-лучевого напыления позволяет получать тонкопленочные покрытия на элементах ТО, в том числе из благородных металлов и их сплавов, способные реализовать и поддерживать стабильным аффект. ЖЕ при трении;

— наиболее оптимальной технологией подготовки поверхностей элементов ТО под покрытие является безабразиЕная обработка — алмазная токарная обработка или размерное электрохимическое полирование после токарной обработки;

— покрытия из Адэффективно обеспечивают работу ТС в режиме Ш только при их нанесении на поверхности элементов из меди и медных сплавов, покрытия из двухкомпонентного сплава Рот обладают высокой адгезией к подложкам из стали и сплавов меди, обеспечивают режим МП на основе избирательного фрикционного окисления;

— недостатком данного метода получения тонкопленочных покрытий является низкая производительность и возможность получения пленок не более 1−1,5 мкм, поэтому перспективным необходимо считать их применение в ТС, работающих в экстремальных условиях;

— разработанная методика диагностирования состояния элементов ТС позволяет эффективно с помощью интегральных параметров контактных взаимодействий — по итогам контроля параметров электрического контактного сопротивления определять состояние поверхностных слоев элементов ТС, слоя были проведены измерения микротвердости образцов при нагрузке на индентор Р{1 = 10, 20, 50, 100 и ?00 сН для четырех вариантов: а — в состоянии поставкиб — после шлифования, полирования и травленияв — после шлифования, полирования и отжига в вакууме (Тотж = 650°0, «Ьотж = 30 мин) — г — после шлифования, полирования и отжига на воздухе (Тотж = 650°0, г0тж = 30 мин).

1 2 3.

12.3 412 841 234.

Рис, 4Л. Изменение микротвердости образцов композиционных материалов при различных способах подготовки, Си, 0а, СаРз — добавки в матрицу основного материала АцАи, Измерения проводились при нагрузках 10, ?0, 50, 100, ?00 сН, Доверительные интервалы математических ожиданийдля уровня значимости е = 0,05,.

Ну^Ша а) б).

1 3 1,3 2,4.

1 3 1,3 2,4.

Рис, 4,2, а), Распределение микротвердости Ни, по ширине ленты. Добавки Си приводят к значимому повышению Нш добавки Сар£ приводят к некоторому снижению Нц. Микротвердость поперек проката постояннаб), микротвердость светлой и темной фаз, Добавки Си приводят к значимому повышению Н^, добавки Сар£ приводят к некоторому снижению Ну, микротвердость светлой фазы несколько ниже Нц. темной фазы. Доверительные интервалы математических ожиданий — для уровня значимости е = 0,05:

Исследованиями не выявлено существенной разницы между образцами в состоянии поставки и после обработки без отжига. Во всех случаях наблюдается большой разброс результатов измерений, Микротвердооть 1 образца значительно выше остальных (рис, 4,2), Трех-шакторный дисперсионный анализ показывает, что микротвердость материалов с Си выше микротвердости материалов с Сё. Присутствие СаГ2 несколько снижает микротвердость материалов.

При отжиге материалов на воздухе произошло потемнение 1 и 2 образцов, содержащих Си, при Т = 200 °C, Образцы покрылись темным налетом, на поверхности образовались вздутия, часть из них взорвалась с образованием каверн. Внешний вид 3 и 4 образцов, содержащих СсЗ, в процессе отжига на воздухе не изменился.

Рис, 4,3, Влияние добавок добавок Си, Са, СаРд и усилия измерения на микротвердость образцов: а). После отжига на воздухеб). После отжига в вакууме. Доверительные интервалы математических ожиданий — для уровня значимости? = 0,05,.

Микротвердость материалов после отжига на воздухе возросла по сравнению с исходным состоянием с резким увеличинием ее нестабильности, влияние добавок Си и СС является значимым, материалы с твердой смазкой СаРй имеют повышенную микротвердость по сравнению с микротвердостью в состоянии поставки, Отжиг в вакууме приводит к общему снижению микротвердости и стабилизации ее значения. Существенно влияет введение в материал добавок Си, Ос и СаРо. Медь повышает микротвердость по сравнению с Сс1, введение СаР2 также повышает микротвердость (рис, 4,3), Повышение микротвердости при отжиге на воздухе происходит за счет упрочнения оксидами Си и Со, которые образуются на их включениях в основную матрицу АцАи, Относительно большой разброс значений микротвердости объясняется неоднородностью стехиометричеокого состава материалов,.

4,2.3= Исследования износостойкости композиционных: материалов,.

Для определения износостойкости композиционных материалов были проведены испытания физических моделей ТО по методике, описанной выше. Из композиционных материалов вырезались плоские образцы, поверхность которых обрабатывалась шлифованием и полированием, и устанавливались на вращающиеся столики трибометра, Мнден-торы изготавливались из проволоки Зл-999 и ЗлМ-800 0 = 0,15 и поджимались к образцам с помощью плоских упругих элементов. Износ инденторов оценивался по условному параметру Ъ = а х Ь / а, где, а — большая ось эллипса износа на индентореЬ — малая ось эллипса износа на индентореё — диаметр траектории движения индентора по образцу. Так как индентор представляет собой тор, то площадь контактного пятна пропорциональна объему изношенного материала индентора. Во время испытаний процесс изнашивания контролировался визуально с помощью микроскопа и по величине переходного контактного сопротивления прохождению электрического постоянного тока, с помощью автоматизированной установки И-189М, по методике [73],.

После испытаний образцов в течение 690 часов были проведены микроскопические исследования поверхностей трения и измерения износа инденторов. Дисперсионный анализ результатов измерений износа показывает, что различия в величине износа инденторов связаны в основном с микротвердостью испытанных образцов, составом материала инденторов и контактным усилием на инденторе. Износ инденторов, работавших в паре с образцами, содержащими Си, больше износа инденторов, работавших в паре с образцами, содержавшими Оа (рис, 4,4), Введение в композиционный материал твердого СМ Оар£ снижает величину износа инденторов. Учитывая различные механизмы изнашивания материалов Зл-999 и ЗлМ-800, была проведена проверка влияния факторов отдельно для инденторов Зл-999 и ЗлМ-800.

Для инденторов из Зл-999 влияние факторов аналогично общим выводам .(рис. 4.4). йнденторы из ЗлМ-800 работали в режиме трения на границе со схватыванием. При работе по образцу АнАиСи схватывание развилось уже в начальный период и привело к полному износу инденторов из ЗлМ-800, Большой разброс результатов измерений не дает возможности сделать какие либо выводы, Влияние факторов маг териалов иц/Оп не различимо, Введение в композиционный материал СМ СаРо увеличивает износ индентора из ЗлМ-800 (рис, 4,4),.

Зависимость величины износа инденторов от фактора скорости скольжения по композиционному материалу оказалась статистически не значима. Коэффициент корреляции г (2,У) = 0,066, а критерий значимости 1 = 0,333 при числе степеней свободы ае = ?5, Для значимости зависимости с вероятностью Р = 0,95 необходимо Ь > 1,7.

Из-за нестабильности контактного давления, в процессе испытаний, трудно проследить его влияние на износ инденторов. Корреляционный анализ показал отсутствие значимой корреляции между износом и начальным рн, средним рс и конечным рк значениями контактного давления (табл.4.1). а) N.

О 500.

400 я 300 б).

Е).

I 200.

О О 100 о.

•й 2 (8 ф Л Л О И Й ш й я ^ ц.

6,.

1я 3.

Й я ш О.

РЗ.

0и Си.

Со Си.

Сй Си.

Рис, 4,4,Влияние добавок Си, Ось СэРй, контактного усилия и материала индентора на величину его износа: а), Учитывается износ всех инденторов: б), Учитывается износ только инденторов из Зл-99,9: в). Учитывается износ только инденторов из ЗлМ-800. доверительные интервалы математических ожиданий — для уровня значимости? = 0,05,.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили решить поставленные задачи по повышению эксплуатационной надежности автоматизированного технологического оборудования. По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. Анализ исследований в области повышения эксплуатационной надежности автоматизированного технологического оборудования позволил установить существенное влияние на нее параметров трибосоп-ряжений формообразующих узлов и обосновать целесообразность управления медленнотекущими процессами в трибооопряжениях с использованием автоматизированного диагностирования их состоянием и современных физико-технических методов формирования защитных поверхностных слоев их элементов на финишных операциях при изготовлении и в процессе эксплуатации,.

Е, Для управления медленнотекущими процессами в трибооопряжениях выполнена идентификация их структурной модели с позиций теории автоматического регулирования на основе системного подхода с использованием энергетической модели, базирующейся на трех составляющих работы сил трения, о соответствующими обратными связями.

3, Обоснование адекватности структурной модели ТС автоматизированного ТО проведено посредством экспериментально-аналитических исследований на имитационных Физических моделях и реальных узлах с использованием методов планирования эксперимента, регрессионного, корреляционного и спектрального анализа для обработки больших объемов информации, что позволило реализовать научно обоснованную эффективную методику контроля процессов в трибооопряжениях и определения состояния их элементов по интегральным стохастическим показателям,.

4, Разработана методика контроля процессов в трибооопряжениях на основе теории электрических стохастических сигналов, которая позволяет по значениям интегральных показателей, выполнить автоматизированное диагностирование режимов работы трибосопряже-ний, а также нераарушаюпщй контроль рабочих поверхностей их элементов с целью оперативного управления их состоянием и сократить время поиска дефекта при отказах, о. Разработанная система автоматизированного диагностирования состояния трибосопряжений автоматизированного оборудования методом измерения их электрической проводимости, включающая аппаратную и программную части, обеспечивает измерение, обработку и выдачу информации, как в аналоговой, так и в цифровой форме,.

6, Практические результаты реализации ряда физико-технических процессов, направленных на активацию эффекта избирательного переноса и обеспечение его устойчивости, позволили оптимизировать технологию приработки элементов трибосопряжений и повысить эксплуатационную надежность формообразующих узлов,.

7, Внедрение разработанных методов повышения надежности трибосопряжений формообразующих узлов автоматизированных станков обеспечили высокую стабильность точностных характеристик винтовых передач и направляющих внутришлифовальных станков ЗМ225ВФ, снизили относительное скольжение элементов многоступенчатых Фрикционных передач приводов подачи токарных модулей типа ТПАРм на 20,25%, а также увеличили время наработки на отказ в 3,5,4 раза, при обеспечении точности обработки по 1,2 квалитетам.