CC BY
40
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАМОТОЧНЫХ ОПРАВОК ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ
КОНИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК Колоколов Е.И.1, Шуваев Г.А.2 Email: Kolokolov1147@scientifictext.ru
'Колоколов Евгений Иванович — кандидат технических наук, доцент, кафедра машиностроения и строительства, факультет атомной энергетики и машиностроения, Волгодонский инженерно-технический институт, национальный исследовательский ядерный университет Московский инженерно-физический институт;
2Шуваев Геннадий Александрович — ведущий инженер, блок по операционной деятельности, блок технического директора, филиал АО «АЭМ-технологии» «Атоммаш», г. Волгодонск
Аннотация: известна методика изготовления оправок для намотки композитных материалов с целью формирования высокоточных осесимметричных оболочек. В статье рассмотрены ключевые узлы типовой конструкции оправки и выявлены возникающие с ними проблемы в процессе производства, а также предложен ряд объективных улучшений, узлов конструкции. Предложенные изменения конструкции и технологии сборки повышают технологичность изделия, упрощают его механическую обработку, позволяя применять более широкий спектр станков, а также упрощают процесс сборки-сварки.
Ключевые слова: осесимметричная оболочка, рёбра жёсткости, оправка из двух половин, выравнивание осей, талреп, биение.
THE OPTIMIZATION OF DESIGN AND TECHNOLOGY OF WINDING MANDRELS FOR PRODUCING THIN-WALLED CONICAL SHELLS Kolokolov E.I.1, Shuvaev G.A.2
'Kolokolov Evgeniy Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING AND CONSTRUCTION, FACULTY OF NUCLEAR POWER
ENGINEERING AND MACHINE BUILDING, VOLGODONSK TECHNICAL ENGINEERING INSTITUTE NATIONAL RESEARCH NUCLEAR UNIVERSITY, MOSCOW ENGINEERING PHYSICS INSTITUTE;
2Shuvaev Gennadiy Alexandrovich — Leading Engineer, OPERATING ACTIVITIES BLOCK, TECHNICAL DIRECTOR BLOCK, BRANCH OF AEM-TECHNOLOGY "ATOMMASH", VOLGODONSK
Abstract: а technique is known for making mandrels for winding composite materials to form high-precision axisymmetric shells. The main nodes of typical mandrel structures and identified problems with them in the production process are considered in this article, as well as the proposed number of objective improvements, structural units. The proposed changes in the design and assembly technology increase the processability, simplify its machining, allow the use of a wider range of machines, and simplify the assembly-welding process. Keywords: axisymmetric shell, ribs of rigidity, mandrel of two halves, alignment of axes, lanyard, beating.
УДК 621.8-1/-9
Вступление
В космической отрасли нашли применение крупногабаритные тонкостенные цилиндрические и конические оболочки, изготовленные из композиционных материалов. Они активно применяются для изготовления каркасов спутников и схожих им конструкций, и поэтому к их геометрической форме применяются жёсткие требования [1].
Для изготовления таких оболочек используют длинномерные крупногабаритные осесимметричные оправки с высокой жесткостью, на которые происходит намотка сетки материала совместно с последующей термообработкой и полимеризацией материала [2].
Средняя часть оправок выполняется в виде цилиндрической или конической обечайки с внутренними рёбрами жёсткости и системой крепления цапфами. Оправка цилиндрической формы имеет сверхмалую конусность, минимальное биение относительно продольной оси и отполированную наружную поверхность. Оправка конического типа для эффективного использования возможна на
крупногабаритных агрегатных намоточных станков с ЧПУ, удобства намотки нитки и выполнения последующих технологических операций в средней части имеет два одинаковых участка с обратной конусностью, между которыми располагаются фиксаторы, предохраняющие продольную ось изделия от изгиба, а также устройства, обеспечивающие изменение направления нити при вращении конструкции. Всё изделие должно быть отбалансировано и не иметь биения, так как в рабочем режиме при намотке волокно композиционного материала должно равномерно распределяться в пазах. Изготовление оправок связано с рядом технологических трудностей, которые не всегда учитываются при разработке конструкторской документации научно-исследовательскими организациями. Их устранение может существенно сократить трудоёмкость и срок изготовления изделия. Упрощение конструкции позволяет также применять унифицированные методики изготовления и универсальное металлорежущее оборудование, уменьшить объём сварочных работ, массу требуемых заготовок [3].
Исследование метода изготовления и эксплуатации намоточной оправки
Рассмотрим конструкцию намоточной оправки (рисунок 1).
Рис. 1. Общий вид намоточной оправки
Оправка является многоразовой, поэтому в процессе её проектирования необходимо обеспечить длительную работоспособность.
Известны различные существующие способы изготовления обечаек с ребрами жесткости, содержащие, установку обечайки в ложемент, ее фиксацию, размещение внутрь обечайки ребер жесткости и их приварку к поверхности обечайки; намотку на кольца жесткости тонкостенного листового материала и их приварку; необходимое формообразование тонкостенной обечайки и приварку к ней ребер жесткости. Недостатками известных технических решений являются, как правило, достаточная сложность технологического процесса, громоздкость и сложность необходимого производственного оборудования, а также дополнительное негативное влияние на конструкцию процесса как самой сварки обечайки, так и приварки к обечайке ребер жесткости [4].
Рассмотрим ключевые узлы имеющегося на данный момент варианта изделия-оправки (рисунок 2).
Рис. 2. Эскиз половины оправки
Процесс сборки оправки начинается с длинномерной многоступенчатой оси 1, на которую от центра на ступени надеваются диски 2, выполняющие роль рёбер жёсткости для кожуха оправки. На диски на деваются и привариваются кольца установочные 3, поверх которых устанавливается и приваривается крупногабаритная тонкостенная коническая обечайка 4. Направляющие отверстия 5 для намотки расположены на самых близких к центру кольцах.
Текущий вариант изделия имеет ряд причин, определяющих его низкую технологичность, а именно:
1. Крупногарабитные конические обечайки очень трудно изготовить обычными методами заготовительного производства: вальцовка, сварка, калибровка. Практически возможна только дорогостоящая горячая штамповка с помощью специально спроектированной оснастки, при единичном производстве изделия это не является целесообразным.
2. Обечайку после изготовления практически не имеется возможным надеть на опорные кольца ввиду неизбежных погрешностей всех деталей. Первый контакт деталей в сборке делает фактически невозможной последующую её сборку.
3. Приварка обечаек к каждому кольцу практически невозможна из-за проведения сварных работ в закрытых пространствах и технологической невозможности сварщиков выполнить швы на всей требуемой длине.
4. Изготовление цапф из термообработанной стали 40Х с креплением к оси штифтами последующей механической обработкой и приваркой нетехнологично, а также может привести к образованию холодных трещин в месте приварки.
5. Изготовление длинномерной оси с многоступенчатой проточкой для насадки опорных колец нецелесообразно и нетехнологично, а также может привести к искривлениям оси в процессе транспортировки ввиду малой жёсткости детали.
6. Выполнение отверстий направляющих предварительно в крупногабаритной детали не обеспечивает их корректного расположения относительно пазов намотки на подложке.
Предлагаемый метод изготовления оправок
В новой конструкции обечайки предлагается произвести несколько ключевых изменений:
1) Основные элементы конструкции: ось, кольца, распорки и обечайки будут изготавливаться из стали 09Г2С. Прокат из данной марки стали используется для разнообразных строительных конструкций благодаря высокой механической прочности, что позволяет использовать более тонкие элементы, чем при использовании других сталей. Устойчивость свойств в широком температурном диапазоне позволяет применять детали из этой марки в диапазоне температур от -70 до +450°С и пригодится при дальнейшем запекании на оправке в печи полимерного материала. Также легкая свариваемость позволяет изготавливать из листового проката этой марки сложные конструкции для химической, нефтяной, строительной, судостроительной и других отраслей.
2) Оправка будет собираться из двух частей (рисунок 3), упрощая процесс изготовления деталей ввиду меньших размеров, а также сборки и перемещения конструкции.
3) Переработан центральный узел оправки. В комплекте с настроечной оснасткой будут применяться трубы большого диаметра с механической обработкой под сферу для обеспечения возможности регулировки соосности, и впоследствии станут частью конструкции, заваренной планками. К наибольшему кольцу полуоправки будут приварены рёбра, соединяющие его с осью, для обеспечения достаточной жёсткости конструкции оправки.
4) Центральная ось оправки собирается из трубы из материала Стали 20 с двухсторонней одинарной проточкой снаружи и двух цапф из стали 09Г2С, предварительно механически обработанных и вставленных в трубу по посадке.
5) Концы цапф из стали 09Г2С после фрезеровки лысок упрочняются закалкой ТВЧ из межкритического интервала с помощью индуктора. Это выполняется для упрочнения участков цапф, за которые будет производиться зажим на станке.
Рис. 3. Эскиз полуоправки
7
Рис. 4. Составная конструкция обечаек 56
6) Конические обечайки будут изготовляться составными (рисунок 5) из колец 1, являющихся частью несущей конструкции обечайки, и трёх коротких конических обечаек 2, 3 и 4, полученных методом вальцовки, сварки и калибровки. Все прилегающие детали изготавливаются со взаимными допусками по в системе вала и отверстия. Кольца с рёбрами жёсткости 5 последовательно одеваются на ось по скользящей посадке, фиксируются конической обечайкой, привариваются к оси и между собой, и противоположный конец обечайки фиксируется следующим кольцом. Кольца установочные -малое 6 и большое 7 остаются практически без изменений от оригинальной конструкции на местах стыка с конической частью оправки. В вершине конуса устанавливается днище 8. Кольца и обечайки свариваются между собой нестандартными швами, как показано на рисунке 3.2.5, а затем дорабатываются механически и зачищаются до гладкой поверхности шероховатостью Яа 6,3.
7. Направляющее отверстие производится в отдельной детали-вставке, которая вваривается в кольцо согласно схеме на рисунке 3.2.6, поскольку деталь с меньшими габаритами гораздо проще позиционировать в конструкции. Паз под вставку в кольце выполнен с верхним допуском, что позволяет смещать деталь и далее позиционировать её. Входящее в состав оправки стандартное кольцо, в котором предварительно были выполнены отверстия с точным позиционированием, будет использоваться в качестве кондуктора для позиционирования вставки в изделии.
С учётом изменений, разработанных для этой конструкции, снижается требовательность деталей к механической обработке, шероховатости, сокращается трудоёмкость выполнения технологии, объём сварочных работ, однако сборка оси и обечайки по-прежнему требует особой точности при процессе технологической сборки.
Настроечная оснастка
Поскольку теперь конструкция собирается из двух половин обечайки, возникает проблема расположения её при сборке. Для решения этой проблемы разрабатывается специальное приспособление - стыковочный узел, позволяющий точные смещения половинок изделия. Конструкция стыковочного узла полагается на наличие технологических отверстий и дополнительной механической обработки деталей изделия в сборке, которые не влияют на работоспособность. Общий эскиз стыковочного узла приведён на рисунке 5.
Рис. 5. Эскиз узла стыковочного
На внутренней поверхности кольца 1 левого конуса делается выточка, в которую прерывистым швом вваривается кольцо 2. Это кольцо на предварительном этапе сваривается с обечайкой и механически обрабатывается, обеспечивая собираемость с кольцом конуса. На этом этапе в кольце также выполняются симметрично расположенные отверстия с установленными в них резьбовыми втулками 3. Количество отверстий определяется диаметром и массой изделия. К кольцу правого конуса 4 вваривается подобное кольцо 5, сваренное с обечайкой и аналогично механически обработанное. Отверстия с резьбовыми втулками выполняются по тем же размерам.
Внутренняя поверхность левой обечайки и наружная правой выполняются с припусками для механической обработки под совместную сборку. Окончательная обработка выполняется после приварки колец к конусам. При этом выполняются заходные фаски, и обеспечивается скользящая посадка наружной сферической поверхности и обечайки по внутренней поверхности другой обечайки. При сборке такая конструкция обеспечивает отсутствие радиального смещения двух собираемых половин изделия.
Сборка двух половин изделия осуществляется на двух комплектах роликоопор под цапфы и кольца, соосно выставленных вдоль продольной оси. При этом обе половины устанавливаются
вплотную друг к другу. Во втулках левого конуса выполнена левая коническая резьба, во втулках правого корпуса - правая. Перед установкой на роликоопоры во втулки ввинчиваются винты с левой 6 и правой 7 резьбой соответственно. На торцевой части этих винтов выполнена шестигранная головка для установки гаечного ключа. После установки половин на роликоопоры винты симметрично вывинчиваются из втулок до совмещения торцевых поверхностей. Одна из роликоопор при этом поворачивается для совмещения осей винтов. После совмещения винты собираются в единое целое путём установки штифтов или сваркой. В результате образуется винтовая пара типа талрепа.
Последовательным вращением талрепов в одном из направлений осуществляется сдвигание половин оправки. При обратном её вращении половины удаляются. Длина винтовых частей талреп должна обеспечивать симметричную сборку изделия относительно вертикальной оси. Перелом продольных осей этих половин после сборки регулируется парами талрепов, установленными в кольцах напротив друг друга. При этом для предохранения резьб от избыточных напряжений и деформаций, один талреп вращается в одну сторону, а противоположный - в другую. Вращением гаечного ключа в одну сторону зазор между кольцами увеличивается, в другую - уменьшается. При этом концы цапф смещаются. Другая пара талрепов остаётся неподвижной. В случае, когда в кольцах выполнены по четыре отверстия, таким путём можно добиться смещения осей во взаимно перпендикулярных направлениях. Можно осуществлять регулировку и со смещением осей перемещения в 45°. Для этого вращаются два соседних талрепа в одну сторону, а противоположные - в другую. Увеличивая количество отверстий, можно увеличить точность регулировки продольных осей совмещаемых половин.
При вращении гаечного ключа на один оборот взаимное перемещение колец по оси отверстий будет равно двойному шагу резьбы. При длине рычага гаечного ключа 1 = 1м и шаге резьбы 6 мм смещение конца рычага на 5 мм обеспечивает взаимное перемещение колец в 0,01 мм. Таким образом, осуществляя миллиметровые перемещения конца рычага ключа можно добиться выравнивания осей двух половин с высокой точностью. Более точного перемещения можно достичь установкой вспомогательного винтового соединения конца рычага с какой-либо неподвижной поверхностью.
Для предварительного расчёта угла отклонения половины обечайки в зависимости от длины применяемого ключа и угла его отклонения была выведена формула (1):
. пМЬ БЫК. ...
а = arccos( — ) (1) где а - угол, на который отклонится обечайка, М - диаметр резьбы талрепа, Ь - длина ключа, р -угол отклонения ключа, Р - шаг резьбы талрепа, п - количество заходов резьбы талрепа, г - расстояние от оси обечайки до оси талрепа. Схема регулировки углов с переменными данными согласно расчётной формуле приведена на рисунке 6.
Рис. 6. Схема регулировки углов
Регулировка и выравнивание осей после сборки изделия осуществляется на роликоопорах, установленных под цапфы. Под одно из колец устанавливается индикатор. Проворачивая изделие на роликоопорах, выставляется максимальное биение, которое устраняется перемещением талрепов. Затем устраняется биение с помощью перемещения плоскости, расположенной под 45° в соответствии с процедурами выше. Зазор между кольцами измеряется микрометров или контролируется калибром.
После осуществления выравнивания осей винты талрепов фиксируются контргайками, а обечайки свариваются прерывистым швом. Для увеличения жёсткости конструкции между кольцами устанавливаются выполненные по размерам зазора, зафиксированного микрометром, распорки.
Список литературы / References
1. Белоус А.И., СолодухаВ.А., Шведов С.В. Космическая электроника. Книга 1. Техносфера, 2015. 63 с.
2. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://galspace.spb.ru/orbita/14.htm/ (дата обращения: 25.06.2018).
3. Дудченко А.А., Колоколов Е.И., Кравченко П.Д. Конструкторско-технологическая оптимизация оправки для изготовления высокоточных цилиндрических оболочек. № 3 (31), 2014 Технические науки. Машиностроение и машиноведение.
4. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/250/2507047.html/ (дата обращения: 25.06.2018).
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОДВИЖНЫХ СОПРЯЖЕНИЙ АГРЕГАТОВ ТРАНСМИССИИ АВТОМОБИЛЕЙ Никоноров А.Н.1, Марданян С.П.2 Email: Nikonorov1147@scientifictext.ru
'Никоноров Алексей Николаевич - кандидат технических наук, кафедра общенаучных и общетехнических дисциплин;
2Марданян Сергей Петрович — курсант, командно-инженерный (автомобильно-дорожный) факультет, Военная академия материально-технического обеспечения им. генерала армии А.В. Хрулёва,
г. Санкт-Петербург
Аннотация: в данной статье анализируются жизненные циклы машины, методы повышения долговечности подвижных сопряжений агрегатов, задачи, направленные на повышение долговечности составных частей машин. Раздел «особенности ремонтного производства» поможет понять, какие лучше использовать масла и присадки для увеличения «жизни» частей автомобилей. Сейчас придумывают целую систему способов восстановления деталей сопряжений, которая включает способы ручной сварки и наплавки, способы механизированной наплавки, электрохимические покрытия, способы восстановления деталей клеевыми композициями, электромеханические способы. Ключевые слова: долговечность, автомобили, трансмиссия.
WAYS TO INCREASE THE LONGEVITY OF MOBILE COUPLINGS OF VEHICLE TRANSMISSION UNITS Nikonorov A.N.1, Mardanyan S.P.2
'Nikonorov Alexey Nikolaevich — PhD in Technicals, DEPARTMENT OF GENERAL SCIENTIFIC AND GENERAL TECHNICAL DISCIPLINE;
2Mardanyan Sergey Petmvich — Cadet, COMMAND-ENGINEERING FACULTY, THE MILITARY OF LOGISTICS AND TRANSPORT, SAINT-PETERSBURG
Abstract: in the article the life cycle of a machine are analyzed. Methods for improving the longevity of mobile interfaces of arperates, tasks aimed at increasing the eternity of the component parts of machines. Secction «features of repair production» will help understand what better use of oils and additives to increase the «life» of parts of cars. Now they come up with a whole system of ways to restore the mating parts, which includes methods of manual welding and surfacing, methods of mechanized surfacing, electrochemical coatings, methods of restoring parts with adhesive compositions, electromechanical methods. Keywords: durability, cars, transmission.
УДК 62-144
Жизненный цикл машины включает в себя три стадии: проектирование, производство и эксплуатацию.
В соответствии с этим делением для анализа и классификации методов повышения долговечности подвижных сопряжений агрегатов, и узлов трения можно выделить три основных направления:
- конструктивное;
- технологическое;
- эксплуатационное.
Традиционными задачами конструктивного направления повышения долговечности являются исключение непосредственного контакта поверхностей трения подвижного сопряжения или снижение удельных нагрузок за счет распределения их по всей поверхности взаимодействующих деталей. Развитие данных конструкций опор трения базировалось на создании и развитии гидродинамической теории смазки, родоначальниками которой являются Н.П. Петров и О. Рейнольде. Дальнейшее развитие данная теория получила в работах Н.Е. Жуковского, С.А. Чаплыгина, А.К.Дьячкова, Н.В. Коровчинского и др.
