CC BY
49
КОЛЬЦОВ Александр Германович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты». БЛОХИН Дмитрий Андреевич, ассистент, аспирант кафедры «Металлорежущие станки и инструменты». БУГАЙ Иван Анатольевич, ассистент, аспирант кафедры «Металлорежущие станки и инструменты». ТОТИК Максим Александрович, студент группы КТО-143 машиностроительного института.
Адрес для переписки: [email protected] ЧЕРНЫХ Иван Константинович, студент группы КТОм-172 факультета «Элитное образование и магистратура».
Статья поступила в редакцию 08.11.2017 г. © Е. В. Васильев, П. В. Назаров, А. Г. Кольцов, Д. А. Блохин, И. А. Бугай, М. А. Тотик, И. К. Черных
УДК 658.512.21
Д. д. примак и. а. волков В. Б. масягин
Омский государственный технический университет, омск
методика расчета размерного анализа конструкций для деталей типа тел вращения с применением геометрических моделей деталей_
В статье рассматривается применение методики расчета размерного анализа конструкции, состоящей из деталей типа тел вращения, на основе геометрических моделей деталей. использование геометрических моделей, в отличие от реальных деталей, значительно упрощает задачу проведения размерного анализа. Данная методика позволяет оперативно устранить размерные и точностные ошибки, что обеспечивает высокое качество конструкции на начальном этапе ее создания, а также реализует автоматическое проектирование технологического процесса сборки, обеспечен переход к показу изображения узла.
Ключевые слова: размерный анализ, геометрическая модель, размерная цепь, замыкающие звенья, технологический процесс, сборка.
Введение. Сборка, являясь завершающим этапом изготовления изделия, определяет его качество, эксплуатационные показатели, а её трудоёмкость в основном определяет общие затраты, связанные с производством изделия [1]. Для обеспечения точности сборки машины и ее сборочных единиц необходим размерный анализ конструкции (РАК), который является важным этапом размерной отработки конструкций и позволяет выявить взаимосвязи деталей и сборочных единиц, составляющих машину, определить методы достижения требуемой точности машины, проанализировать правильность простановки размеров и допусков на чертежах деталей и сборочных единиц, повысить технологичность конструкции.
Однако в существующей методике РАК используется теория размерных цепей. Проблемой использования теории размерных цепей является необходимость ручного выявления всех звеньев размерной цепи, причем одна деталь может иметь несколько звеньев, входящих в различные размерные цепи. При этом все эти звенья рассматриваются по отдельности, то есть деталь как целостный элемент размерной структуры не рассматривает-
ся. Это приводит к тому, что технолог оперирует отдельными размерами, а не группами размеров, относящихся к деталям сборочной единицы. Таким образом, не учитывается тот факт, что при сборке последовательное формирование размерной структуры сборочной единицы происходит группами размеров, относящихся к присоединительным деталям.
С точки зрения общего подхода, аналитические модели представляют собой расчётные или геометрические модели, необходимые для работы с программным обеспечением. Полная модель отражает большинство свойств объекта или процессов, тогда как локальная обеспечивает моделирование одного или малого числа свойств [2]. Данному подходу соответствует существующая методика РАК, которая основана на использовании геометрических моделей деталей [3].
В рассматриваемой методике размерный анализ изделия осуществляется не от чертежа к трехмерным моделям деталей и сборки в целом, а более коротким путем, с применением геометрических моделей деталей и визуализацией конечного результата. Данное направление является более перспективным, с точки зрения автоматизации РАК,
поэтому в статье рассматривается методика, основанная на аналитическом подходе.
Постановка задачи. Целью статьи является:
— разработка автоматизированной методики проведения размерного анализа конструкции с применением геометрических моделей деталей типа тел вращения, обеспечивающей качество сборочного производства высокоточных изделий, с учетом требований, заложенных при проектировании изделия;
— обоснование преимуществ применения геометрических моделей в отличие от реальных деталей.
Научная новизна данной работы заключается в том, что на сегодняшний день наблюдаются разрозненные решения отдельных задач проблемы: повышения качества и точности собираемых изделий, снижения затрат на материалы, внедрения ресурсосберегающих технологий. Отсутствует целостность в решении данных проблем [4, 5].
Результаты проводимых исследований являются востребованными на производстве, так как точность является одним из важнейших показателей качества многих машин.
Кроме того, точность расположения функциональных поверхностей косвенно оказывает влияние и на многие другие параметры и характеристики машин (параметры служебного назначения, надежность, эксплуатационные свойства поверхностей и т.п.).
Теория. Конструкция любого изделия, разработанная инженером-проектировщиком, должна иметь определенные параметры точности размеров, формы и взаимного расположения поверхностей всех деталей, что позволяет ей выполнять определенные функции. Правильно спроектированному с применением РАК изделию не требуется доработка на этапе сборки и эксплуатации [6]. Требования эффективности производства и такие показатели, как трудоёмкость, энергоёмкость, затраты, связанные с внедрением технологических процессов, во многом определяются качеством РАК изделия и проектируемого технологического процесса сборки.
Для обеспечения качества РАК одной из задач, решаемых в процессе конструкторской и технологической подготовки производства, является обоснование точности характеристик конструкции изделия на основе анализа размерных цепей.
После проведения анализа размерных цепей технолог может обоснованно выбрать метод сборки конкретного узла и изделия в целом, оценить влияние отдельных присоединительных размеров на характеристики получаемого соединения и выявить вероятные причины возникновения брака на этапе сборки [7].
Кроме необходимости обеспечения точности, наличие множества этапов в методике РАК приводит к высокой трудоемкости [8].
Решение проблемы повышения качества и снижения трудоемкости РАК возможно на основе автоматизации с использованием геометрических моделей деталей и применением программного обеспечения для проведения РАК.
Геометрические модели деталей представляют собой упрощенные геометрические объекты, имеющие только плоские и цилиндрические поверхности, путем преобразования формы деталей, исключая или заменяя конические, сферические, резьбовые, фасонные поверхности плоскими и цилиндрическими поверхностями.
Таким образом, для проведения РАК узла с применением геометрических моделей необходимо перейти от сборочного чертежа узла к его геометрической модели, включающей геометрические модели всех деталей.
Известно, что при математическом моделировании размерных цепей конструкции и технологических процессов применяется теория графов, которая позволяет связать теоретические положения с вычислительными алгоритмами, реализуемыми на ЭВМ [9]. Геометрические модели деталей также представляются графами, при этом все размерные и точностные требования к детали, касающиеся входящих в модель поверхностей, включаются в ее геометрическую модель.
Соответствующая методика автоматизированного РАК с применением геометрических моделей должна предусматривать максимально возможное исключение ручных операций как при подготовке исходных данных, так и при анализе результатов РАК для принятия творческих решений
Необходимые этапы методики автоматизированного РАК с применением геометрических моделей могут включать следующие действия.
1. Описание параметров детали в цифровом формате, подходящем для использования в ЭВМ, посредством преобразования информации из конструкторской документации (сборочного чертежа) к виду, необходимому для формирования геометрических моделей узла и деталей, включая размеры, допуски, взаимосвязи поверхностей и замыкающие звенья с установленными требованиями.
2. Сбор и подготовка исходных данных для внесения в программное обеспечение в формате txt, верификация исходных данных посредством программного обеспечения с последующим редактированием параметров геометрических моделей деталей и конструкции.
3. Автоматическое установление структуры размерных цепей и ее анализ с уточнением простановки назначенных размеров посредством программного обеспечения.
4. Уточнение допусков на составляющие и замыкающие звенья размерных цепей с корректировкой их в файле исходных данных.
5. Контроль обеспечения допусков на замыкающие звенья размерных цепей посредством программного обеспечения.
6. Контроль несоответствий номинальных размеров и отклонений замыкающих звеньев размерных цепей посредством программного обеспечения.
7. Оценка итоговой информации проведенного размерного анализа.
Использование описанной выше методики для выполнения РАК зависит от параметров программного обеспечения и ЭВМ.
Поскольку решение задач РАК предполагает высокую трудоемкость, создано программное обеспечение для автоматизации РАК (Visual KursAR, GRAKON, ASCON, NORMAL). Данные программы существенно сокращают основное рабочее время и способствуют повышению качества. Главной проблемой является высокая трудоемкость обработки и внесения исходных данных [10].
Программа для ЭВМ «UNION» будет использоваться в качестве программного обеспечения для реализации методики. Она предназначена для решения частного типа задач — прямой и обратной задач расчета размерных цепей осесимметричных конструкций с использованием метода максимума-
о
го >
минимума при обеспечении точности замыкающих звеньев методом полной взаимозаменяемости. Особенности применения программы следующие.
1. В качестве исходных данных используется сборочный чертеж узла с описанием технических условий и спецификацией. По сборочному чертежу можно представить взаимосвязь составных частей и способы соединения деталей, описание позволяет понять конструкцию и назначение сборочной единицы и всех составляющих деталей, состав изделия определяется спецификацией. Особенностью сборочного чертежа является то, что на нем имеются только габаритные и присоединительные размеры. Заданные конструктором допуски и отклонения, необходимые для РАК, должны быть определены на основе рабочих чертежей деталей, входящих в сборочную единицу и являющихся неотъемлемой частью документации, разрабатываемой конструктором. Они включают геометрическое описание всех деталей проектируемого изделия, включающее в себя допуски, назначенные на все размеры, а также допуски формы и взаимного расположения поверхностей [11]. Основными нормативными документами, регламентирующими работу с допусками, являются национальные и международные стандарты ASME Y14.5-2009, ISO 1101:2012 и ГОСТ Р 534422012, основанный на ISO [12—14.]
2. Для проведения РАК узла необходимо перейти к модели узла в виде его геометрической модели с описанием. После построения геометрической модели узла необходимо создать геометрические модели отдельных деталей [15]. При построении геометрических моделей деталей используется не вся информация о деталях, а только часть, связанная с РАК, в которую входят данные о детали. Для деталей типа тел вращения геометрическая модель детали представляет собой эскиз, на котором изображены контуры верхней половины детали в разрезе с указанием только торцов и цилиндрических поверхностей, имеющих общую ось, с простановкой номеров поверхностей и конструкторских размеров с соответствующим буквенным обозначением и индексом, обозначающим номер размера. Поверхности детали на эскизе обозначаются, начиная с левого торца, номерами в возрастающем порядке при обходе всего контура детали по часовой стрелке. Контур детали должен быть замкнутым либо начинаться от оси детали и замыкаться на ось.
3. Эскиз геометрической модели детали дополняется таблицей, содержащей необходимую информацию о детали: номер детали, наименование, число поверхностей, число и последовательность участков контура, число диаметральных, радиальных и линейных размеров и их описание — номер размера, номинальное значение, верхнее и нижнее отклонения, номер поверхности/диаметра (для диаметральных размеров) или номера поверхностей/ границ радиального или линейного размера (меньшего и большего диаметров для радиальных размеров, а так же левой и правой границ для линейных размеров) [16]. Требования взаимного расположения поверхностей, составляющих модель детали, не учитываются и не фиксируются в геометрической модели детали, что является ограничением при проведении РАК с применением программы «UNION».
4. Для исключения неоднозначности при определении мест контактов и зазоров необходимо применить теорию графов и создать модель конструкции узла в виде графа. Нужно принять такой
вариант связей между деталями, чтобы граф-связей представлял собой граф-дерево, т.е. не имел замкнутых контуров. В этом случае, как утверждает теория графов, существует только один способ связи двух любых вершин графа, т.е. положение деталей в узле определяется однозначно. С точки зрения теории размерных цепей, контакт — это промежуточное составляющее звено между размерами различных деталей, которое обычно не показывается на схемах размерных цепей, за исключением размерных цепей со звеньями-зазорами [17]. Замыкающие звенья задаются при проектировании и выявляются на эскизе геометрической модели узла путем анализа конструкции узла человеком в соответствии с чертежами конструкции. В качестве замыкающих звеньев могут быть приняты зазоры и натяги между цилиндрическими или торцовыми поверхностями деталей узла в местах, где на эскизе геометрической модели они соприкасаются или где имеется зазор между поверхностями деталей, в том числе между поверхностями подвижных и неподвижных деталей. Таким образом, в качестве замыкающих звеньев могут быть приняты не только звенья, которые задаются при проектировании, но и любые другие звенья, обеспечение которых желательно проконтролировать.
Результаты экспериментов. В результате работы с программой «UNION» получены номинальные значения верхних и нижних отклонений, с помощью которых можно вычислить замыкающие звенья. Для обеспечения всех допусков замыкающих звеньев и для всех замыкающих звеньев было сделано 12 прогонов программы, включающих проведение различных мероприятий, таких как: ужесточение допусков, изменение размеров, в результате чего программа закончила работу, появилось изображение (рис. 1). Изображение показывает, что произошло наложение болта 21 на фланец 1 и на болт 15 (рис. 1). Однако, проанализировав сборочный чертеж, становится понятно, что все изменения, внесенные в текстовый файл при работе с программой, произведены верно, данное наложение можно объяснить тем, что детали поз. 1, 21 соединены посредством шлицевого соединения, детали поз. 21, 15 — резьбового.
Обсуждение результатов. На основе РАК с применением геометрических моделей, включающего автоматическое выявление и расчет сборочных размерных цепей, появляется возможность оперативно оценить влияние размеров и точности деталей на точность сопряжений и установить причины брака при сборке.
В современных условиях усложнения конструкций и повышения требований точности невозможно повысить качество и сократить сроки выполнения РАК без применения средств автоматизации проектирования и инженерного анализа.
На практическом примере показано, что при проведении РАК с применением программы «UNION», использующей геометрические модели деталей, возможно уже на этапе конструирования оперативно устранить фактически все размерные и точностные ошибки и несоответствия, которые могут возникнуть при разработке конструкции, и таким образом обеспечить на начальном этапе создания конструкции достижение ее высокого качества.
Вывод. Использование методики РАК с применением геометрических моделей на основе использования программы «UNION», позволяет
UNION
гъ
Рис. 1. интерфейс программы с изображением узла после прогона 12
исключить затраты на устранение ошибок на последующих этапах технологической подготовки производства и этапе самого производства, когда затраты на устранение ошибок увеличиваются на порядок или даже несколько порядков.
Автоматизированная методика РАК с применением геометрических моделей по своей форме сводится к диалогу проектировщика с компьютером, при котором компьютер выступает в качестве эксперта, выявляющего допущенные ошибки, помогающего их исключить и оценить каждое принимаемое решение на соответствие основным положениям теории размерных цепей и размерного анализа.
Библиографический список
1. Сибирский В. В., Чоткаева С. К. Использование компьютерных моделей пространственных размерных цепей и метода виртуальных сборок для повышения производительности монтажных операций // Вестник Самарского государственного университета им. Академика С. П. Королёва (национального исследовательского университета). 2012. № 5 (36). С. 352-354.
2. Макаров Д. И., Тимофеев В. Н. Моделирование процесса виртуальной сборки изделия // Известия МГИУ. 2012. № 2 (26). С. 45-48.
3. Аввакумов В. Д. Особенность расчета плоских размерных цепей // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2015. № 11. С. 37-41.
4. Суслов А. Г. Технология машиностроения. М.: Кнорус, 2013. 336 с. ISBN 978-5-406-00819-5.
5. Куликов Д. Д., Падун Б. С., Яблочников Е. И. Перспективы автоматизации технологической подготовки производства // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2014. Т. 57. № 8. С. 7-11.
6. Журавлёв Д. А., Шабалин А. В. Методика пространственного размерного анализа в системе ГеПАРД // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 8 (103). С. 58-65.
7. Богуцкий В. Б., Шрон Л. Б., Мануйленко В. М., Пянков-ская М.В. Размерный анализ как инструмент обеспечения эксплуатационных характеристик электроинструмента // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. № 8-2. С. 64-70.
8. Масягин В. Б. Совершенствование теории размерного анализа на основе кромочной модели деталей типа тел вращения: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.02.08. Омск, 2012. 40 с.
9. Мордвинов Б. С., Яценко Л. Е., Васильев В. Е. Расчет линейных технологических размеров и допусков при проектировании технологических процессов механической обработки. Иркутск: Изд-во Иркутского гос. ун-та, 1980. 104 с.
10. Мухолзоев А. В. Алгоритм модуля автоматизированного расчёта технологических размерных цепей // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Сер. Машиностроение. 2015. Т. 15, № 3. С. 48-55.
11. Фарактионов Д. А., Евстигнеев Ю. С., Шабалин А. В. Сравнительный обзор возможностей автоматизированного размерного анализа в современных (САТ) системах автоматизированного размерного анализа // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 7 (102). С. 97-104.
12. ГОСТ Р 5344-2012. Основные нормы взаимозаменяемости. Допуски формы, ориентации, месторасположения и биения. Введ. 2014-01-01. М.: Изд-во стандартов, 2012. 47 с.
13. ASME. Dimensioning and Tolerancing, ASME Y14.5-2009. NY: The American Society of Mechanical Engineers, 2009. 214 p.
14. ISO 1101-2012. Geometrical product specifications (GPS) — Geometrical tolerancing — tolerances of form, orientation, location, and run-out. Geneva: International Organization for Standartization, 2012. 103 p.
15. Масягин В. Б. Автоматизация размерного анализа осесимметричных конструкций // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники: материалы III Регион. науч. конф., посвящ. памяти главного конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. С. 227-231.
16. Масягин В. Б. Формирование изображений геометрических моделей деталей, заготовок, операционных эскизов и сборочных единиц с помощью ЭВМ // Механика процессов и
о
го >
машин. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000. С. 192-196. ISBN 5-81490056-3.
17. Масягин В. Б. Метод расчета линейных технологических размеров на основе матричного представления графа // Технология машиностроения. 2004. № 2. С. 35-40.
ПРИМАК Дарья Дмитриевна, аспирантка кафедры
«Технология машиностроения».
Адрес для переписки: [email protected]
ВОЛКОВ Иван Александрович, аспирант кафедры «Технология машиностроения». Адрес для переписки: [email protected] МАСЯГИН Василий Борисович, кандидат технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Технология машиностроения». Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 02.11.2017 г. © Д. Д. Примак, И. А. Волков, В. Б. Масягин
УДК 62-543.4
П. л. сенькин
н. и. ПРОКОПЕНКО л. м. СМИРНОВ В. В. малый
Омский автобронетанковый инженерный институт, г. Омск
расчет оптимальных параметров силовой установки танка с двигателем
постоянной мощности_
В статье рассчитаны оптимальные параметры силовой установки танка с двигателем постоянной мощности (ДПМ). Определены оптимальные сочетания давления наддува, коэффициента избытка воздуха, степени сжатия и степени повышения давления при сгорании топлива. Сделаны выводы и даны рекомендации по дальнейшему совершенствованию силовых установок с ДПМ. Ключевые слова: двигатель постоянной мощности, оптимальные параметры, коэффициент, диапазон, газотурбинный наддув.
Танки Т-72Б3, Т-90 и их модификации оснащены турбопоршневыми двигателями типа В-2, а именно В-92С2. Двигатель В-92С2 имеет газотурбинный наддув (ГТН), который, в свою очередь, предназначен для подачи в цилиндры двигателя воздуха с избыточным давлением, что позволяет увеличить мощность двигателя обеспечивать надежную работу в условиях высокогорья [1].
Повышение боевой эффективности бронетанковой техники (БТ) в значительной степени зависит от совершенствования и развития двигателя, влияние которого на боевые свойства существенно возросло. Повышение уровня боевых свойств объектов БТ в самой существенной мере зависит от энергетических, топливно-экономических и объемно-массовых показателей двигателя.
Влияние этих показателей на эффективность боевого использования танков проявляется в основном через параметры подвижности, защищенности и боеготовности.
Одними из направлений совершенствования турбопоршневых двигателей являются:
— повышение коэффициента приспособляемости К двигателя;
— корректирование скоростной характеристики двигателя.
При увеличении коэффициента приспособляемости Км двигателя улучшаются тяговые характеристики двигателя. Для тяговой характеристики двигателя необходимо увеличить величину крутящего момента при снижении оборотов коленчатого вала двигателя. Следовательно, будет получена внешняя характеристика с участком постоянной мощности (ДПМ).
Для работы силовой установки танка с двигателем постоянной мощности необходимо определить оптимальные параметры.
Известно, что для танкового дизеля с ГТН существует оптимальное сочетание давления наддува р, коэффициента избытка воздуха а, степени сжатия 8 и степени повышения давления при сгорании топлива X, которому соответствует наибольший эффективный КПД ц [2].
В этих работах были получены графические зависимости оптимальных параметров 8, рк, X от среднего эффективного давления ре без учета изменения механического КПД (при вариации перечисленных и постоянных в условиях р=const, максимальное давление сгорания р=ео№?) и наличия на впуске и выпуске значительных сопротивлений (Арв - 13 кПа, Дрг - 35 кПа), характерных для танковых дизелей.
