CC BY
10
УДК 621.757:621. 752 Шуваев В.Г.
ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет», Самара, Россия
ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФОРМИРУЕМОГО ПРЕССОВОГО СОЕДИНЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЗАПРЕССОВКИ
НА ОСНОВЕ МОДЕЛЕЙ В ПРОСТРАНСТВЕ СОСТОЯНИЙ
Проведен анализ процесса автоматизированной сборки соединений в условиях дополнительных ультразвуковых воздействий. Рассмотрены вопросы применения моделей в пространстве состояний для получения диагностической информации о параметрах формируемого соединения. Приведены разработанные алгоритм и устройство для оценки динамических параметров формируемого соединения
Ключевые слова:
сборка, ультразвук, модели, качество соединения
Процесс автоматизированной сборки предполагает наличие методов и средств для определения, как качества сборочных операций, так и свойств формируемых соединений. Механика динамического взаимодействия контактирующих поверхностей в процессе сборки продольной запрессовкой учитывает расположение вершин выступов на различных уровнях, что приводит к локализации контактной деформации на дискретных площадках шероховатых поверхностей, создает переменное возмущение и вызывает локальные колебания и поверхностные волны. Между показателями качества запрессовки и динамическими характеристиками колебательной механической системы существует прямая взаимосвязь, достаточно хорошо аналитически описанная в теории механических колебаний и служащая основой для построения диагностических алгоритмов.
Традиционно рассматривают функциональные и структурные динамические модели систем. Под функциональной динамической моделью подразумевают модель, отражающие только динамические свойства системы и построенную по результатам наблюдений за процессами на входе и выходе исследуемой системы, не проникая в сущность протекающих внутри системы процессов. Функциональные динамические модели применяются обычно в условиях ограниченной информации для решения задач идентификации линейных систем, и служат для их внешнего описания (модели типа передаточных функций).
Для раскрытия структуры механической системы и описания протекающих в ней процессов применяют структурные динамические модели, формулируемые в терминах масс и пружин с демпфированием. Применение УЗ колебаний в процессе сборки предопределяет возникновение в формируемом соединении вибраций, параметры которых и являются носителями диагностической информации о динамических характеристиках контролируемого соединения. Вибрационное состояние определяется совокупностью вибрационных характеристик объекта и является следствием структурного и функционального состояний и динамических свойств объекта [1,2].
Принимая во внимание, что в процессе запрессовки при относительном взаимном перемещении деталй их массы не претерпевают изменений, инерционные элементы будем считать неизменными при формировании прессовых соединений, а изменяться в процессе формирования прессового соединения будут диссипативные и упругие элементы, на определение которых и направлены диагностические методы. Еще одним важным показателем при определении динамических характеристик прессовых соединений является величина натяга, характеризующая интенсивность контактного взаимодействия поверхностей и определяемая как насыщенность контакта [3,4]. Важным аспектом процесса моделирования колебательных систем является выбор способа представления системы с сосредоточенными или распределенными параметрами, так как этот выбор существенно влияет на сложность моделирования. В этом случае необходимо рассмотреть соотношения между длиной волны и размерами механической системы:
- когда длина волны колебаний существенно превышает геометрические размеры деталей, то систему рассматривают как сосредоточенную;
- если размеры деталей соизмеримы или превосходят длину волны генерируемых колебаний, то си-
стему необходимо рассматривать как распределенную. В нашем случае использовались колебания частотой около 20000 Гц, длина волны которых в стали составляет около 25 сантиметров, а размеры соединяемых деталей вал-втулка были гораздо меньше, что является основанием для представления механической колебательной системы как сосредоточенной.
Состояние динамической системы (формируемого прессового соединения при УЗ колебаниях) в каждый момент времени (или глубины запрессовки) описывается некоторым набором упруго-диссипа-тивных параметров, значения которых изменяются по мере запрессовки. Используя режим дополнительных колебательных воздействий можно нестационарную систему аппроксимировать моделью, состоящей из отдельных участков, число которых определяется частотой колебаний. В пределах каждого участка модель можно рассматривать как стационарную и общее движение будет состоять из последовательности однотипных циклов. Для нашего случая УЗ колебаний частота составляет около 20000 колебаний в секунду, что при средней скорости запрессовки 10 мм в секунду приводит к разбиению каждого миллиметра относительного взаимного перемещения деталей на 2000 участков, что позволит проводить диагностику с достаточной точностью. Таким образом, за счет УЗ колебаний осуществляется физическая дискретизация процесса запрессовки, позволяющая рассматривать процесс как кусочно-стационарный, при котором на основное движение запрессовки накладываются ультразвуковые высокочастотные колебательные воздействия.
Динамическая система может быть представлена в виде системы, обладающей состоянием. Такой подход дает возможность описать динамику процесса в виде перехода системы из одного состояния в другое с учетом входных воздействий, т.е. динамическая система характеризуется своим начальным состоянием и законом перехода из начального состояния в последующие состояния. Совокупность всех допустимых состояний динамической системы образует фазовое пространство.
Рисунок 1 - Алгоритм получения диагностической информации о динамических параметрах соединения на основе модели в пространстве состояний
Для прессового соединения, представленного динамической моделью в виде инерционных, упругих и демпфирующих параметров, была разработана модель в пространстве состояний (переменных состояния), которая также имеет вид дифференциальных уравнений, но записанных в специальной форме -как система уравнений первого порядка.
На рис.1 представлен разработанный алгоритм получения диагностической информации с исполь-
зованием модели в пространстве состоянии, на основе которого разработаны способы и устройства вибрационной диагностики прессовых соединений в процессе ультразвуковой сборки, защищенные патентами [5,6]. Основной смысл модели в пространстве состояний состоит в том, что она сохраняет соотношение между входом и выходом системы, но также дает возможность перейти от одного дифференциального уравнения п-го порядка к системе из п уравнений первого порядка. Модель дает возможность кроме двух внешних переменных, представляющих вход и выход системы, ренние переменные системы,
отразить и все внут-что особенно важно
при определении динамических характеристик контактного взаимодействия поверхностей при сборке.
Модель в пространстве состояний позволяет получить больше информации о внутренних переменных объекта, что позволяет более эффективно проводить технологический процесс сборки. Кроме того, модель хорошо приспособлена к использованию в компьютерных системах, так как основывается на векторно-матричных представлениях, для которых разработан достаточно полный алгоритмический аппарат.
Реализация разработанного алгоритма осуществляется следующим образом (рис.2)
Рисунок 2 - Устройство для оценки динамических параметров прессового соединения в процессе сборки
Устройство содержит базирующее приспособление 1 для втулки 2, в которую запрессовывается вал 3. На валу 3 закрепляется пьезоэлектрический вибратор 4, служащий для возбуждения ультразвуковых колебаний. Усилие запрессовки Р от пресса через вибратор 4 и датчик силы 9 воздействует на вал, одновременно в вале возбуждают упругие колебания, добиваясь резонанса.
Колебания, прошедшие через формируемое соединение (вал 3 и втулку 2), воспринимаются датчиком виброускорения 5 и преобразуются в соответствующий электрический сигнал. Этот сигнал преобразуется интеграторами 13 и 14 в сигналы виброскорости и вибросмещения. В блоках деления 10, 11 и 12 осуществляется деление сигнала усилия запрессовки на сигналы соответственно, виброускорения, виброскорости и вибросмещения, получая на выходах сигналы, соответствующие инерционным, диссипативным и упругим характеристикам формируемого соединения.
Линейное относительное перемещение соединяемых деталей измеряется датчиком перемещения 6, сигнал с которого поступает на входы блоков регистрации 21 и управления 22. Блок управления в соответствии с изменением относительного перемещения соединяемых деталей изменяет эталонные значения инерционных, диссипативных и упругих характеристик, хранящихся в блоках 18, 19 и 20.
Результаты сравнения эталонных и текущих значений характеристик формируемого соединения поступают в блок регистрации 21, где записываются одновременно с сигналом относительного перемещения деталей.
Получение оперативной информации о ходе процесса запрессовки, позволяет выявлять отклонения от нормального хода технологического процесса и своевременно реагировать на них. Увеличение глубины диагностики за счет раздельного измерения инерционных, диссипативных и упругих характеристик в процессе формирования соединения, дает возможность выявить и локализовать «тонкие» дефекты, выработать оптимальные управляющие воздействия и тем самым повысить качество прессовых соединений.
Экспериментальные исследования по виброзапрессовке проводились на специально разработанном стенде, в котором статическое усилие создавалось гидропрессом и составляло около 3000 Н, а вибрации возбуждались пакетом из 6 пьезокера-мических шайб ЦТС-19 диаметром 4 6 мм и толщиной 9 мм. Амплитуда вибраций после усиления концентратором колебаний составляла 10-15 мкм. Запрессовывались валы диаметром 25 мм во втулки на глубину 20 мм с натягом 0,01-0,02 мм, время запрессовки составляло 2 сек.
ЛИТЕРАТУРА
1. Штриков Б.Л., Калашников В.В. Ультразвуковая сборка. М.: Машиностроение-1, 2006. - 225 с.
2. Шуваев В.Г., Шуваев И.В. Контроль качества затяжки резьбовых соединений при ультразвуковой сборке по динамическим характеристикам// Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза,25-31 мая, 2013. 2 том. С.276-278.
3. Шуваев В.Г. Адаптивная система управления ультразвуковой запрессовкой с оценкой качества формируемых соединений// Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза,25-31 мая, 2013. 2 том. С.278-279.
4. Шуваев В.Г. Формирование прессовых соединений гарантированного качества при ультразвуковой сборке // Сборка в машиностроении, приборостроении. «Машиностроение», 2004, № 10. С.28-31.
5. Патент РФ № 2357848 «Способ запрессовки твердосплавных зубков в корпус шарошки бурового долота», Богомолов Р.М., Ищук А.Г., Кремлёв В.И., Носов Н.В.. Шуваев В.Г., Папшев В.А.; Опубл.
10.06.2009.
6. Штриков Б.Л., Шуваев В.Г., Папшев В.А. Автоматизированная система научных исследований процессов ультразвуковой сборки // Сборка в машиностроении, приборостроении. «Машиностроение», 2007, № 12. С.19-22.
