CC BY
61
Серия «Технология машиностроения и материалы» необходимое для расчета пружины, и значение угла ф1, при котором -Евс _ I2, т.е. шатун восстанавливает исходную длину и колесо 5 должно быть расфиксировано.
Литература
1. Virabov R.V., Kostrova (Balabina) T.A. Cam-Gear-Lever Mechanism with Periodical Fixed Dwell of the Outlet Link. Материалы VI Конгресса по ТММ в Индии, 1983.
2. Вирабов Р.В., Балабина Т.А. Кулачково-зубчато-рычажный механизм с точным выстоем выходного звена. «Вестник машиностроения», 1983, № 12.
3. Балабина Т.А. Специфика кинематического и силового расчетов кулачково-зубчато-рычажных механизмов с упругим элементом и фиксированным выстоем выходного звена. Журнал «Проблемы машиностроения и автоматизации», № 3 - 4, 1993, МЦНТИ (Международный центр научной и технической информации).
4. Вирабов Р.В., Дмитриева Л.Н., Балабина Т.А. Влияние упругого элемента на движение ведомого звена кулачково-зубчато-рычажного механизма. «Вестник машиностроения», 1989, № 1.
Фрактальный анализ профиля поверхности деталей машин с применением
измерительной установки MarSurf XR20
Бавыкин О.Б., Плаксин С.В., д.т.н. проф. Вячеславова О.Ф.
Университет машиностроения umo@mami.ru
Аннотация. В статье предложен способ фрактального анализа профиля поверхности, основанный на совместном применении измерительной установки MarSurf XR20, табличного процессора Microsoft Excel и компьютерных программ Fractan и MarWin. Представлены результаты фрактального анализа профиля поверхности, полученные с помощью предлагаемого способа.
Ключевые слова: шероховатость, фрактальный анализ, показатель Херста H, измерительная установка MarSurf XR20.
Известно, что шероховатость поверхности детали во многом определяет эксплуатационные свойства изделия [1]. При этом традиционные параметры шероховатости профиля поверхности (Ra, Rz, Rmax и т.д.) в некоторых случаях не позволяют адекватно оценить функциональные свойства изделия. Это привело к появлению узкоспециализированных параметров, предназначенных для изучения поверхности, полученной определенным методом обработки и/или из определенного материала. Например, для зеркала цилиндра двигателя применяется семейство Rk параметров [2]. В настоящее время насчитывается порядка 100 различных оценочных характеристик профиля поверхности.
Как показал проведенный в статье [3] анализ научных работ, возможным универсальным параметром шероховатости поверхности, позволяющим оценивать состояние поверхности независимо от метода обработки, может стать фрактальная размерность (параметр D).
Можно выделить два метода вычисления параметра D инженерной поверхности [4, 5]: интегральный и профильный.
Упомянутые методы обладают рядом недостатков и ограничений.
Интегральный метод, в рамках которого определяются фрактальные характеристики всей исследуемой поверхности, реализуется в основном с помощью сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). Несмотря на возможность высокого разрешения сканирования и прохождение моделями зондовых микроскопов испытаний с целью утверждения типа, широкое применение метода ограничивают высокая стоимость приборов, сложная процедура подготовки образца и маленькая площадь сканирования. Кроме СЗМ могу применяться различные экспериментальные установки [4], которые в данной статье не рассматриваются.
При реализации профильного метода исходными данными служит профилограмма поверхности, а фрактальный анализ выполняется в специально написанных компьютерных программных продуктах (как, например, в работе [6]). При этом, такого рода программы не проходят метрологической аттестации, что повышает вероятность возникновения погрешности алгоритма вычисления фрактальных параметров.
В данной работе предлагается вариант комплексного применения профильного метода с последующей фрактальной обработкой полученных профилограмм (рисунок 1), в котором в качестве оценочного параметра используется не фрактальная размерность D, а родственная характеристика - показатель Херста (параметр И).
Согласно рисунку 1, измерение профиля образца выполняется с помощью средства измерений MarSurf XR 20 [7] (этап 1). Данный прибор прошел испытания с целью подтверждения типа и имеет свидетельство о поверке, что подтверждает высокую достоверность получаемых результатов.
Microsoft Excel
Marwin
Fractan
исследуемым образец
MarSurf XR 20
Рисунок 1. Схема фрактального анализа профиля поверхности на установки MarSurf XR 20
На следующем этапе полученная измерительная информация передается в компьютер, где с помощью специально написанного в программе Marwin алгоритма сохраняется в виде временного ряда значений высот неровностей профиля. После этого временной ряд загружается в Microsoft Excel и преобразовывается со следующими параметрами:
• формат данных: с разделителями;
• символ-разделитель: пробел;
Рисунок 2. Образцы для фрактального анализа
Преобразованные данные сохраняются в текстовом документе (с расширением *.Ш) и загружаются в программу Fractan [8] для вычисления показателя Херста H [9].
Стоит отметить, что упомянутое программное обеспечение обладает высокой точностью фрактальной обработки временного ряда, о чем свидетельствует его широкое использо-
вание в различных научных исследованиях [10]. Это снижает погрешность алгоритма фрактального анализа, которая свойственна программам собственной разработки.
С целью практического подтверждения возможности фрактального анализа поверхности деталей машин по предлагаемому способу была изучена серия образцов.
В качестве объектов исследования использовались 14 стальных пластин размером 20х10х1,5 мм (материал Ст.2), показанных на рисунке 2.
Таблица 1
Результаты фрактального анализа и оценки шероховатости поверхности образцов
№ поверхности Параметры шероховатости поверхности, мкм Показатель Херста
Ял Яшах
1/1 1,0028 6,3844 7,0577 0,8708±0,0395
1/2 0,9976 7,2345 9,8153 0,7749±0,0777
2/1 1,5827 11,8526 18,1789 0,7869±0,0241
2/2 0,8967 5,8474 7,8424 0,8545±0,0324
3/1 0,9232 7,2672 11,6343 0,7651±0,0319
3/2 1,1902 6,7575 7,6729 0,8496±0,0360
4/1 0,8698 9,1172 18,5161 0,8468±0,0455
4/2 0,8913 6,9694 8,5797 0,7882±0,0212
5/1 1,3455 7,6594 10,7085 0,8197±0,2395
5/2 0,8516 5,9175 9,6695 0,8572 ±0,1180
6/1 1,0209 5,6429 7,1905 0,7533±0,0967
6/2 0,9659 7,0578 8,8946 0,7721±0,1318
7/1 1,8635 13,6703 17,4659 0,7628±0,1661
7/2 0,9183 7,2174 10,2114 0,8834±0,0290
8/1 1,7831 9,1739 12,0352 0,6473±0,0974
8/2 0,9535 6,6491 8,2052 0,5905±0,1753
9/1 1,017 6,2866 8,7736 0,7837±0,0202
9/2 1,0074 4,8646 7,6759 0,8696±0,1986
10/1 1,2041 6,9494 13,2462 0,7878±0,0596
10/2 1,4383 7,1814 9,9957 0,6066±0,0567
11/1 0,8067 5,772 6,5765 0,7861±0,0437
11/2 0,8872 5,3029 7,1788 0,8241±0,0245
12/1 1,2191 9,6679 11,014 0,6672±0,0316
12/2 0,9853 6,3523 8,445 0,7079±0,0714
13/1 1,0235 5,6429 7,9754 0,8165±0,1032
13/2 0,4055 2,2608 2,4758 0,7843±0,0907
14/1 0,9028 5,7222 9,1983 0,7242±0,1267
14/2 0,8815 4,9818 7,6097 0,8553±0,0345
В результате обработки измерений получены значения показателя Херста профило-грамм каждой поверхности четырнадцати стальных пластин. Кроме того, вычислены значения шероховатости по трем параметрам (Яа, Яшах). Таблица 1 содержит результаты исследования образцов. На рисунках 3 и 4 представлены графики зависимости параметра H от геометрических параметров шероховатости.
Анализируя полученные результаты, можно отметить отсутствие зависимости между традиционными параметрами шероховатости поверхности и значением показателя Херста (рисунки 3 и 4). Следовательно, параметр Н, как и фрактальная размерность D, может применяться в качестве дополнительной характеристики профиля поверхности, что позволяет расширить номенклатурно-параметрический диапазон оценки состояния поверхности деталей машин.
Предложенная методика фрактального анализа профиля с применением установки MarSurf XR 20 и современного программного обеспечения может быть использована для ор-
ганизации самостоятельной работы студентов по дисциплине «Методы фрактального анализа» [8].
Рисунок 3. Точечный график зависимости параметра Rz и показателя Херста H
Рисунок 4. Точечный график зависимости параметра Ra и показателя Херста H
Литература
1. Бавыкин О.Б., Вячеславова О.Ф. Современные методы оценки качества поверхностей деталей машин. Учебное пособие / Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ), кафедра «Стандартизация, метрология и сертификация». Москва, 2010.
2. Табенкин А.Н., Тарасов С.Б., Степанов С.Н. Шероховатость, волнистость, профиль. Международный опыт / Под ред. к.т.н. Н.А. Табачниковой. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007, 136 с.
3. Бавыкин О.Б. Взаимосвязь свойств поверхности и ее фрактальной размерности / О.Б. Бавыкин, О.Ф. Вячеславова // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. 2013. Т. 2. № 1 (15). С. 14-18.
4. Бавыкин О.Б. 77-48211/596023 устройство для измерений фрактальной размерности поверхностного слоя // Инженерный вестник. 2013. № 06. С. 3.
5. Бавыкин О.Б. Методы оценки фрактальной размерности поверхностного слоя // Мир измерений. 2014. № 2. С. 16-20.
6. Овсянников В.Е., Рогов Е.Ю., Остапчук А.К. Определение фрактальной размерности временного ряда при помощи показателя Херста v1.0: свидетельство об отраслевой регистрации разработки №11373 / - № 50200801858; заявл. 11.09.2008; опубл. 11.09.2008; Инновации в науке и образовании № 9(44). 6 с.
7. Бавыкин О.Б., Плаксин С.В. Опыт применения в учебном процессе прибора для измерения шероховатости поверхности MarSurf XR 20. Известия МГТУ «МАМИ» № 1(19), 2014, т. 2. С. 413-417
8. Потапов А.А., Бавыкин О.Б. Основы учебного курса «Методы фрактального анализа» // Нелинейный мир. 2014. Т. 12. № 1. С. 004-008.
9. Потапов А.А., Вячеславова О.Ф., Бавыкин О.Б. Параметрическая методика определения наличия фрактальных свойств у электрохимически обработанных поверхностей // Нелинейный мир. 2014. Т. 12. № 3. С. 3-12.
10. http://elibrary.ru/query_results.asp
Исследование напряженно-деформированного состояния элементов привода валков прокатных станов
к.т.н. доц. Ивочкин М.Ю., к.т.н. доц. Гуревич Ю.Я., к.т.н. доц. Димитрюк С.О.
Университет машиностроения, ЗАО «Топ системы» ivochkin2006@rambler.ru, dimitruksoamail. ги Аннотация. В статье проведено исследование напряженно-деформированного состояния шарнира шарового шпинделя прокатного стана с целью определения безопасных режимов работы и нагрузочной способности от угла перекоса.
Ключевые слова: трансмиссия, привод, прокатный стан, шпиндель, шарнир, угол перекоса
Развитие металлургии тонколистового проката требует повышения эффективности использования технологических машин при высоком качестве листа. Элементы привода валков прокатных станов играют существенную роль в обеспечении качества продукции и надежности прокатных станов. При эксплуатации стана 250 на ОАО «Северсталь» (г. Череповец) выявилась следующая особенность трансмиссии привода валков: при увеличенных углах перекоса шарового шпинделя наблюдалось увеличение волнистости листа, а также повышение случаев поломки обоймы шпинделя. Потребовалось определить опасные режимы работы шпинделя и предоставить для инженерных сотрудников простые инструменты, которые позволят принять технические решения и планировать технологические операции. Целью исследований ставилось определение безопасных режимов работы шпинделя прокатного стана по параметру плавности движения и безопасного напряженно-деформированного состояния обоймы шпинделя.
Современное развитие вычислительных средств позволяет исследовать поведение механизмов на основе их электронных аналогов (3Б-моделей). Одним из таких инструментов является программный комплекс T-FLEX, который среди прочих содержит в своем составе три необходимых для выполняемых работ модуля: T-FLEXCAD, T-FLEX «Динамика» и T-FLEX «Анализ». Зачастую полученные в подобных системах результаты дают более широкую картину происходящих процессов, чем натурный эксперимент. Это обеспечивает получение большего количества инструментов для оптимизации конструкций и в целом более ясное представление об их состоянии и критических параметрах эксплуатации. Проведение натурного эксперимента позволяет получить «точку достоверности», то есть некоторые возможные для натурного эксперимента результаты. При комплексном подходе к исследованиям стало возможно получать необходимую «точку достоверности» не по результатам специально планируемых экспериментов, а по измеренным параметрам текущих технологических процессов. При типовых исследованиях, когда достоверность модели не вызывает сомнений,
