CC BY
14
УДК 621.19:41
DOI: 10.15587/2313-8416.2016.67693
П1ДВИЩЕННЯ ДОВГОВ1ЧНОСТ1 ТОРС1ОННИХ ВАЛ1В ТА ДОВГОМ1РНИХ ДЕТАЛЕЙ ПОВЕРХНЕВИМ ПЛАСТИЧНИМ ДЕФОРМУВАННЯМ
© I. С. Афтаназiв, Л. I. Шевчук, О. I. Строган
Запропонований пристрш для змщнення поверхневим пластичним деформуванням зовнiшнiх цилiндрич-них поверхонь довгомiрних деталей. Пристрш забезпечуе ударну взаемодт оброблювано'1 поверхт дета-лi i3 масивним ексцентрично встановленим на нт змщнювачем. Сферичнi де формiвнi тша встановлено на робочт поверхнi змщнювача. Забезпечувана глибина .змщнення для деталей i3 конструкцтних сталей 0,10Щ20 мм
Ключовi слова: змщнення, удар, сталь, деталь, товщина, деформування, поверхня
Device for hardening of external cylindrical surfaces of long details by surface plastic deformation is proposed. Device provides an impact interaction of surface of the detail with massive hardener that eccentrically mounted on it. Spherical deformable bodies are set on working surface of the hardener. Manageable depth for hardening of constructional steel details is 0,10^0,20 mm
Keywords: hardening, impact, steel, detail, thickness, deformation, surface
1. Вступ
Поверхневе пластичне деформування як тех-нолопчний зааб щдвищення мщносп, надшносп та довговiчностi вщповвдальних сталевих деталей дово-лi широко використовуеться у машинобудуванш i зарекомендувало себе як надшний технолопчний метод пвдвищення цим ввдповщальним деталям спроможносп протистояти значним експлуатацшним навантаженнями. Поверхневе змщнення, рiзновиди якого вiдомi у техшчнш лiтературi тд назвами «про-клепування, карбування, накатування, вiбрацiйне та дробоструменеве змщнення тощо», доволi широко використовують для обробки радусних переходiв, галтелей та шийок валiв рiзноманiтного цiльового призначення, барабашв та реборд колiс лггашв, гiльз двигунiв внутрiшнього згоряння та помп бурового обладнання i цшо! низки iнших вiдповiдальних деталей [1].
Яшсне поверхневе пластичне деформування (ППД) цилiндричних поверхонь таких деталей пок-ращуе структуру металу в поверхневих його прошар-ках, формуе в них поверхневий шар металу iз пвдви-щеною твердiстю, забезпечуе утворення в поверхне-вому прошарку залишкових напружень стиску [2]. Усе це в комплекс пiдвищуе опiр металу знакозмш-ним циклiчним навантаженням, зменшуе швидшсть розростання втомних мiкротрiщин i, як наслвдок, спроможне щдвищити надiйнiсть та довговiчнiсть вiдповiдальних деталей, у тому числ i торсiонних валiв, яш використовують в якостi торсюнно! шдвю-ки у великотонажних машинах та мехашзмах (вшсь-кових танках та самохщних артилерiйських устано-воках, вагонах i локомотивах залiзничного транспорту тощо).
Однак, при спробах застосування вщомих ме-тодiв змiцнення довгомiрних деталей технологи зустрiчаються iз певними труднощами, що обумов-лено конструктивною будовою цих специфiчних деталей. У загальному цилвдричш довгомiрнi дета-лi можна умовно роздшити на двi доволi чисельш
групи. До першо! слiд вщнести довгомiрнi деталi порiвняно незначних маси (до 100 кг) та поперечного перерiзу (до 100 мм). Як правило, це автомобшь-т ос та пiвосi, цилiндричнi та торсюнш вали тощо. 1х особливютю, iз позицiй застосування змiцнюва-льних обробок ППД, е те, що через незначну попе-речну жорсткiсть змiцнювальнi деформiвнi наван-таження можуть призводити до надмiрних прогишв та короблення оброблюваних деталей. Тому, як правило, тут обмежуються змщненням лише певних конструктивних елеменпв деталей, як1 в процесi експлуатацп можуть поставати концентраторами напружень, зокрема галтелей, радусних переходiв тощо. Переважно для цього використовують методи ППД, що належать до так звано! статично! групи методiв змщнення, найяскравшим представником яко! е накатування роликами [3]. Проте, досягнути високих показнишв якостi при змiцнювальнiй обро-бщ деталей iз доволi твердих конструкцiйних сталей накатуванням роликом практично не вдаеться. Зна-чно ефективнiшим тут е застосування карбування. Однак карбування вкрай низькопродуктивне i для змщнення вае! протяжно! поверхнi довгомiрних деталей через це мало придатне.
До умовно видшено! друго! групи довгомiрних деталей слад вiднести масивнi детал1, маса та розмiри яких перевищують цi показники першо! групи. Це обсадш труби свердловин, труби високого тиску, жерла танкових та артилершських гармат тощо. Яш-сне змщнення цих масивних деталей дозволило б зменшити !х масу та матерiаловмiстимiсть. Однак, практично ввдсутт придатнi для поверхневого змщнення цих деталей методи ППД. Не дуже вдалими виявились i спроби використання для змщнювально! обробки масивних довгомiрних деталей i таких широко розповсюджених методiв динамiчного змщнен-ня, як вiбрацiйна та дробоструменева обробки. Тут основна причина невдач полягае у неспроможносп забезпечення належних параметрiв змщнювально! обробки (товщина залягання змiцненого прошарку
матерiалу, ступiнь змiцнення тощо) через обмеже-нiсть енергп деформування незначною масою дефо-рмiвних тiл - сталевих кульок чи дробу ввдповщно.
2. Аналiз лiтературних джерел i постановка проблеми
Слад визнати, що спроби створення технологiй змiцнення поверхневим пластичним деформуванням зовнiшнiх цилiндричних поверхонь довгомiрних деталей у минулому здiйснювались неодноразово. Так в Нацюнальному унiверситетi «Л^вська полггехшка» було створено технолопю вiбрацiйного змiцнення бурових штанг довжиною 2 та 2,5 м шестигранного поперечного перерiзу iз конструкцшно! сталi 35 з метою шдвищення !х опору скручуванню [4]. Змщнюва-льну обробку штанг здшснювали у протяжному циль ндричному контейнерi вiбрацшно! машини в середо-вищi сталевих загартованих кульок дiаметром 10-12,5 мм, забезпечуючи товщину залягання змщненого шару в межах 0,05-0,072 мм. Дослвдш випробування вiб-розмщнених штанг засввдчили щдвищення !х довговь чностi в середньому на 25-30 %. Однак, через надшр-но велик! коливш маси масивного заповненого стале-вими кульками контейнера вiбромашини змiцнюваль-ний процес виявився надзвичайно енергозатратним, а конструкцiя вiбромашини, через надмiрнi вiбрацi!, недовговiчною. Це i постало головною перепоною промисловому використанню даного процесу.
Доволi оригiнальну конструкцш змiцнення ППД зовнiшнiх цилiндричних поверхонь довгомiр-них деталей запропонували автори патенту Укра!ни № 51720 [5]. Для змщнення бурових обсадних труб ППД вони запропонували орипнальну конструкцш електромагштного змiцнювача резонансного типу, оснащену електроприводом, ударною масою iз закрь пленими на нiй деформiвними елементами та колив-ною пружною системою. Змщнювач встановлюють на зовнiшнiй цилшдричнш оброблюванiй поверхонi деталi, подають напругу на обмотки котушок елект-ромагнтв приводу i ударна маса, завдяки пружнiй системi, набувае ударно! взаемоди кульками дефор-мiвних елементiв iз оброблюваною поверхнею. Змщ-нювач перемщають вздовж твiрно! оброблювано! поверхнi, забезпечуючи тим самим рiвномiрнiсть обробки по довжиш деталi. Однак, певним недолгом у використаннi даного пристрою для виробничих умов е, перш за все, тдвищена його енергозатрат-шсть, а також незначна продуктивнiсть. Адже для забезпечення якiсного змiцнення сталевих деталей ударш змiцнювачi мають володии доволi значною масою. Ввдповвдно i для надання масивним змщню-вачам коливних рухiв у статорi приводу необхщно облаштовувати потужнi електромагнiти, коефщент корисно! ди яких через наявшсть повiтряного промь жку м1ж статором та якорем доволi низький, а саме в межах 0,15^0,2. Тому через обмеження коливно! ударно! маси змщнювача не забезпечуеться належна ступiнь змiцнення. Крiм того, через обмежешсть маси, а ввдповщно i площi ударних змiцнювачiв, шль-кiсть розмiщених на !х перифери деформiвних еле-ментiв обмежена, що негативно впливае на загальну продуктившсть обробки протяжних поверхонь дов-
гом1рних деталей. Обмеженою е i тривалють непере-рвного використання змiцнювача даного типу - змш-нi магштш поля електромагнiтiв доволi швидко на-грiвають до високих температур обмотки котушок, провокуючи небезпеку короткого !х замикання. Тому тут неодмiнна потреба у пристроях примусового охо-лодження електромагнтв приводу.
Таким чином, проблема створення методiв та пристро!в, що будуть ефективними для змiцнення поверхневим пластичним деформуванням зовшшшх цилiндричних поверхонь довгомiрних деталей, у тому чи^ i торсiонних валiв, залишаеться актуальною i у сьогоденнi.
3. Мета i задачi дослiдження
Метою даного дослвдження е розробка конструктивно! схеми та визначення основних технологь чних параметрiв високопродуктивного змщнювача для поверхневого пластичного деформування торсь онних валiв та зовнiшнiх поверхонь цилiндричних довгомiрних деталей, який завдяки збшьшенню енер-гi! деформування забезпечуватиме покращення якостi змiцнювально! обробки та шдвищення ступеня змщ-нення. У поеднанш iз формуванням у поверхневих прошарках змiцненого матерiалу залишкових напру-жень стиску високого градiенту це, незаперечно, сприятиме пiдвищенню надiйностi та довговiчностi таких вiдповiдальних деталей як торсюнш вали та iншi довгомiрнi деталi.
Для вирiшення дано! мети було сформульова-но основнi задач^ а саме:
- створення конструкци дослiдно! установки змiцнювача для поверхневого пластичного деформування торсюнних валiв та зовнiшнiх поверхонь циль ндричних довгомiрних деталей;
- визначення основних конструктивних та тех-нологiчних параме^в змiцнювача торсiонних валiв;
- встановлення математичних залежностей для визначення основних технолопчних та конструктивних параметрiв змiцнювача довгомiрних деталей.
4. Конструктивна схема змщнювача Topci-онних ва. ив.
У основу запропоновано! конструкцi! змщню-вача довгомiрних деталей закладено iдею використання в якосп джерела енерги деформування шер-цiйних сил планетарного обкочувального руху масивного ударного тша при контактуваннi його iз поверхнею оброблювано! деталi через незначну к1льк1сть деформiвних елементiв. Вперше цю iдею успiшно реалiзували у вiбрацiйних конiчних дробарках, де подрiбнення породи здiйснювалось масивним конусом, що приводився в планетарний обкочувальний рух по нерухомому конiчному корпусу розташова-ним всерединi нього дебалансним вiбратором [6, 7]. У подальшому !! використали в конструкцiях при-стро!в вiбрацiйно-вiдцентрово! змiцнювально! обробки, де при обкочувальному русi у якосп ударно взаемодшчих тiл в змщнювальному процесi поставали масивнi вiбруючий контейнер та оброблювана
деталь, контактуючи пом1ж собою через незначну кшьшсть сталевих загартованих кульок, розташова-них вздовж тв1рно! оброблювано! поверхш [8]. Змь цнеш i3 використанням ц1е! технологи барабани та реборди колю лггашв i3 магшевих та алюмiнieвих сплавiв за довговiчнiстю вдвiчi перевищували дов-говiчнiсть цих же деталей, що пiддавались змщнен-ню накатуванням роликом [9, 10].
Однак, жодна iз цих технологш не придатна у безпосередньому И використанш для змщнювально! обробки поверхонь довгомiрних деталей.
В НУ «Львiвська полггехшка» створенi техно-логiя та конструктивна схема реал1зуючого Ii пристрою для змщнення ППД зовшштх цил1ндричних поверхонь довгомiрних деталей.
14 15
Рис. 1. Принципова схема змщнювача для поверхневого пластичного деформування торсiонних валiв та зовнiшнiх поверхонь цилшдричних довгомiрних деталей
На рис. 1 ввдображена конструктивна схема змщнювача для поверхневого пластичного деформування торсюнних валiв та зовнiшнiх поверхонь циль ндричних довгомiрних деталей. До його складу вхо-дять встановлена на оброблювальнш деталi 1 трубча-ста цилiндрична основа 2, яка базуеться на змщню-ванiй поверхш детал1 за допомогою пвдпружинених пружинами 3 центрувальних роликах 4. На трубчас-тiй основi 2 на подшипниках 5 розмiщенi iз можливь стю обертання навколо власно! оа i сшввюно! !й ге-ометричнш осi оброблювано! детал1 1 два корпуси 6, на кожному з яких жорстко закрiплено по одному зубчастому вiнцю конiчного зубчастого колеса 7. Кошчш зубчастi колеса 7 повернут зубчастими вш-цями один навпроти другого, мають спiльну точку перетину осей !х зубчастих вшщв i разом iз введеною в зачеплення з ними приводною кошчною зубчастою шестернею 8 формують двi конiчнi передачi приводу, що обертають корпуси 6 у протилежних напрямках навколо оброблювано! деталi 1. Привiдна конiчна шестерня 8 закршлена в подшипниках 9 на нерухомш основi 10. Хвостовик валу приводно! шестерш 8 через муфту 11 з'еднано Оз електродвигуном приводу 12,
встановленим на нерухомш основО ( на рис. не воображений).
Наявшсть шдпружинених центрувальних ро-лик1в 4 забезпечуе можливють базування оброблювано! детал1 1 та !! осьового перемщення водносно ос-нови 2 змщнювального пристрою (рис. 2, а).
До кожного Оз двох корпуав 6 через еластич-ний пружний елемент 13 (наприклад, гофрований гумовий сильфон) приеднано по масивному змщню-вачу 14, на внутршнш поверхш якого у сепаратор-них проточках закршлеш з можливютю обертання навколо власно! оа деформОвш тша 15 у вигляд сталевих кульок (рис. 2, б). Ддаметр кола розмщення в змщнювачО 14 деформОвних сталевих кульок 15 рОвний
Дк=До+ е +Д, (1)
де До - дОаметр оброблювано! поверхш деталц е -ексцентриситет змщнювача 14 вщносно геометрич-но! ос оброблювано! поверхш детал1 1; Д - дОаметр деформОвних тш у виглядО сталевих кульок, який пе-реважно обирають Оз сшвводношення Д=(0,15^0,20) До Оз дОапазону Д=10^15 мм.
А-А Збшьшено
Б-Б Збшьшено
а б
Рис. 2. Поперечш перерiзи (рис. 1) змiцнювача на дшянках: а - фгксацц змiцнювача на оброблювальнш деталi; б - розташування змiцнювача i3 деформiвними елементами
Змщнювач 14 встановлено на оброблювальнш детал 1 вшьно 1з можливютю його обертання навко-ло ос змщнювано! поверхн 1з ексцентриситетом е. Напрями обертання приввдно! шестерн 8, кончних зубчастих колю 7, змщнювач1в 14 1з деформ1вними тшами 15, а також осьових перемщень оброблювано! детал 1 на рисунках ввдображено стр1лками.
Поверхневе змщнення торсюнних вал1в ППД 1з використанням даного змщнювача здшснюють наступним чином. Оброблювану деталь 1 закршля-ють у пристро! фшсацд (на рисунках не вщображе-ний) 1 вводять И всередину змщнювач1в 14, пружних елеменлв 13 та основи 2, базуючи И оброблюваною зовшшньою цил1ндричною поверхнею м1ж центрува-льними роликами 4 (рис. 1). Вмиканням електродви-гуна приводу 12 його валу надають обертання, яке через муфту 11 передаеться приввднш кончнш шес-терш 8. Обертання шестерн 8 передаеться через И зубщ кончним зубчастим колесам 7, яш обертаються при цьому у протилежних напрямах разом 1з корпусами 6 навколо оброблювано! детал 1. В1д обертових корпус1в 6 крутний момент через пружш елементи 13 передаеться змщнювачам 14, що набувають при цьому обертового руху навколо змщнювано! поверхш оброблювано! детал1 1. Наявшсть ексцентрисистету е змщнювач1в 14 вщносно оброблювано! поверхн де-тал1 1 при обертанш масивних змщнювач1в навколо !х ос шд д1ею вщцентрових сил трансформуеться в обкочувальний рух змщнювач1в 14 зафшсованими на !х внутршнш поверхн деформ1вними тшами 15 по змщнюванш поверхн детал1 1. При цьому в кожний момент часу змщнювач 14 контактуе 1з оброблюваною поверхнею детал1 1 через незначну к1льк1сть деформ1вних тш 15, що розмщен вздовж тв1рно! внутршньо! поверхн змщнювача 14. Вступання в контакт 1з оброблюваною деталлю 1 чергово! групи розмщених вздовж тв1рно! змщнювача 14 деформ1в-них тш 15 ввдбуваеться з ударом (рис. 2,б).
При обкочувальному рус змщнювача по зов-шшнш оброблювальнш поверхш детал 1 на змщню-
вач д1е вщцентрова сила F, обертовий вектор ди яко! направлений ввд центра маси змщнювача 1 проходить перпендикулярно геометричним осям змщнювача 1 оброблювано! поверхн (рис. 2,б). На рис.2,б напрям ди ввдцентрово! сили вщображено стршкою 1з бук-венним позначенням F.
Величина ще! вщцентрово! сили F пропорцш-на мас т та ексцентриситету е змщнювача 1 квадрату кругово! частоти п його обкочувального руху 1 ви-значаеться 1з залежносп
F=m-s-а
(2)
де ю=2Пп - кругова частота обкочувального руху змщнювача;
n - частота обкочування змщнювача 14 по зо-вшшнш поверхнi оброблювано! детал1 1;
е - ексцентриситет змщнювача 14 вщносно ге-ометрично! осi оброблювано! поверхш деталi 1;
т - маса змiцнювача 14 iз деформiвними ть лами 15.
У будь-який промiжок часу змiцнювач контактуе iз оброблюваною поверхнею деталi 1 через дефо-рмiвнi тша 15, наприклад сталевi загартованi кульки, розмщеш вздовж твiрно! цилiндрично! внутршньо! поверхнi змiцнювача 14. Контакт iз черговою групою деформiвних тiл, розмщених вздовж твiрно! змщню-вача, вщбуваеться з ударною взаемодiею. При цьому сила удару, що припадае на кожне iз деформiвних тiл, пропорцшна вiдцентровiй силi F, що дiе на обертовий змiцнювач 14, i обернено прпопорцiйна кшько-сп N розташованих вздовж твiрно! змщнювача дефо-рмiвних тiл 15, тобто
F m-s-D-а1 у = N = l
(3)
де l - довжина твiрно! цилiндрично! поверхнi змщ-нювача 14, на як1й встановлено деформiвнi тiла 15.
Для забезпечення робочого планетарного обкочувального руху змщнювача 14 iз деформiвними
е
тшами 15 та надежно! якост змiцнювальноi обробки ППД геометричнi розмiри та параметри руху змщ-нювача 14 обирають i3 задежностi
s = -
CT • d2 • l
50 • m • D • n2
(4)
де ст - межа текучосп матерiаду змiцнюваноi' детадi 1; d - дiаметр вiдбитка на оброблюванш поверхнi ввд ударного контакту деформiвного тiда i3 детаддю 1.
Ударна взаeмодiя деформiвних тiд, у якосп яких використовують переважно сталевi загартованi кульки високо! твердостi, i3 поверхнею оброблювано! детадi 1, матерiал яко! поступаеться по твердостi ста-девим кулькам, проявдяеться у формуванш в точках контакту кульок 15 i3 деталлю 1 значних контактних напружень. Пiд дiею цих контактних напружень ма-терiад детадi пластично деформуеться, змiцнюеться. Величину контактних напружень, що забезпечуються в мiсцях контакту i3 деформiвними тiдами в припо-верхневих прошарках матерiаду оброблювано! пове-рхнi у резудьтатi ударно! взаемоди, визначають i3 задежностi
Fy 10 • m • s • D • n2
СТкон g
l • d2
(5)
де S =
nd2
4
- площа належного для забезпечення
яшсного змщнення оброблювано! поверхш детал1 залишкового ввдбитку шсля ударного контакту 1з деформ1вним сферичним тшом (кулькою).
У випадку змщнення незначних за довжиною торсюнних вал1в, перемщаючи оброблювану деталь 1 м1ж центрувальними роликами 4 вздовж даного змщнюваного пристрою забезпечують р1вном1ршсть змщнювально! обробки вздовж вСе! тв1рно! зовшш-ньо! оброблювано! поверхш детал1 ( на рис. 1 вказа-но стршкою). Якщо ж оброблюваш детал1 мають значну довжину, що перевищуе 2,0-2,5 м, напри-клад, як буров1 обсадш труби, !х ф1ксують нерухо-мо, а змщнювальний пристрш перемщають вздовж оброблювано! деталь
У випадку технолопчно! потреби, наприклад, зб1льшення товщини змщненого шару чи ступеня змщнення, кршленням до змщнювача 14 додаткових вантаж1в нарощують його масу, що забезпечуе збь льшення вщцентрово! сили Е та нерозривно пов'язано! 1з нею сили ударно! взаемоди змщнювача 1з матер1алом оброблювано! детал1 1. При потреб1 покращення р1вном1рност1 обробки використовують повторш перемщення оброблювано! детал вздовж змщнювального пристрою (чи навпаки), тобто повтори переходи.
5. Результата дослвджень
У якосп прикладу реал1заци запропонованих змщнювального пристрою та методики визначення основних його конструктивних параметр1в приведено параметри змщнювально! обробки та геометричш розм1ри змщнювача для змщнення цил1ндрично! зов-шшньо! поверхш танкового торсюна 1з д1аметром
зовнiшньо! поверхш D0=65 мм з леговано! конструк-цiйно! стадi марки 12ХН3А i3 межею текучостi мате-рiаду <т=750МПа. Належна для забезпечення товщи-на змщненого шару в товщиш металу оброблювано! поверхнi h=0,15^0,20 мм.
При поверхневому пластичному деформуваннi сталевих деталей сферичними деформiвними тiдами товщина залягання змiцненого шару металу корегу-еться iз дiаметром ввдбитшв на оброблюванш поверхш залежшстю d=2h. Отже дiаметр належного для забезпечення задано! товщини змщнення вщбитку
d=2•0,2=0,4мм.
Призначають геометричнi параметри змщню-вача та параметри обробки:
D=10мм - дiаметр деформiвних тiд (сталевих загартованих кульок);
1=0,5 м - довжина змщнювача;
т=30кг - масса змiцнювача iз деформiвними тiдами;
N=50 - шлькють деформiвних тiд вздовж твiр-но! змiцнювача;
n=940 об/хв.=16 1/с - частота обкочування змiцнювача по зовшшнш поверхнi оброблювано! детадi.
Щдставляють числовi значення у задежнiсть (4) i визначають величину ексцентриситету змiцнювача
ст • d2 • l 750•lO6 • (0,4•lO-3)2 • 0,5 _ s =-m-- =-г---= 15,6 мм.
50 • m • D • n
50 • 30-10 •Ю-3-162
Таким чином, визначено основний геометрич-ний параметр змщнювача, а саме його ексцентриси-тет е, дотримання якого забезпечить яшсне змщнення зовшшньо! робочо! поверхш танкового торсюна при заданих маа т та розм1рах I та N { Б змщнювача та деформ1вних тш вщповвдно.
Основними технолопчними параметрами даного процесу змщнення цил1ндричних зовшшшх по-верхонь довгом1рних деталей поверхневим пластич-ним деформуванням е:
- сила Еу удару, що припадае на кожне 1з де-форм1вних тш;
- частота п обкочування змщнювача по зовшшнш поверхш оброблювано! деталц
- швидшсть осьового перемщення оброблювано! детал1 вщносно змщнювача, або навпаки - змь цнювача вщносно оброблювано! деталц
- кшьшсть повторних переход1в, тобто повто-рних перемщень змщнювача вздовж тв1рно! оброблювано! поверхш деталь
До основних конструктивних параметр1в змщ-нювача належать:
- ексцентриситет е змщнювача;
- кшьшсть N та д1аметр Б облаштованих на змщнювач1 деформ1вних т1л.
Регулюванням кожного 1з цих конструктивних чи технолог1чних параметр1в в певних допустимих межах у шнцевому результат! регулюють силу контактно! взаемоди матер1алу оброблювано! детал1 1з де-форм1вними т1лами, тобто забезпечувану товщину
залягання змiцненого шару металу, а також трива-лiсть та piBHOMipHiCTb обробки. Так змiна таких конструктивна параметрiв як маса т та ексцентриситет е змiцнювача зумовлюе змiну сили Fy ударно! взаемо-дй' змiцнювача i3 матерiалом оброблювано! деталi, а вiдповiдно величину контактних напружень скон, що формуються у поверхневому прошарку металу змщ-нювано! деталi в мiсцях контакту i3 сферичними де-формiвними тшами.
Вплив маси змiцнювача т, кг та його ексцент-риситету е, мм на товщину залягання змiцненого шару h, мм при змщненш цилiндричних зразкiв дiамет-ром D0=65 мм торсюнних валiв iз сталi 12ХН3А на змiцнювачi запропоновано! конструкци ввдображено на рис.3. Товщину залягання змщненого шару h ви-мiрювали на шлiфах змiцнених зразкiв за допомогою приладу вимiрювання мiкротвердостi моделi ПМТ-3.
Дослвдження проводили при трьох величинах маси змiцнювача, а саме т=20 кг, т=30 кг та т=40 кг, змщнюючи величину ексцентриситету е в дiапазонi 5 мм<е<25 мм.
Встановлено, що по мiрi зб№шень маси та ексцентриситету змщнювача товщина залягання змщ-
неного шару h наростае, асимптотично наближаю-чись до максимальних, залежних вщ маси змщнюва-ча значень. При цьому виявлено, що iнтенсивнiсть нарощування товщини залягання змiцненого шару по мiрi збiльшення ексцентриситету спадае, що свщчить про доцiльнiсть його обмеження в дiапазонi е=12,5^15 мм.
Не забезпечуе бажаного ефекту i надмiрне нарощування маси змiцнювача, адже воно супроводжу-еться стрiмким нарощуванням потyжностi електрод-вигуна приводу, що необхщна для надання змщню-вачу бажаного обкочувального руху, тобто до неви-правданих енергозатрат.
Бшьше того, експериментально встановлено, що не залежно вiд маси змщнювача та його ексцентриситету при досяганш товщини змщненого прошарку металу значень 0,17 мм<И<0,20 мм подальше нарощування сили ударно! взаемодп змщнювача iз об-роблюваною деталлю провокуе перенаклепування матерiалy детали що не тшьки супроводжуеться його ввдшаровуванням ввд основно! маси деталi, а i слугуе джерелами зародження мiкротрiщин, нарощування кшькосп та розмiрiв яких провокуе руйнування деталi.
Рис. 3. Залежнiсть товщини залягання змщненого шару h (мм)ввд ексцентриситету змiцнювача е(мм) при обробщ цилiндричних зразк1в (D0=65 мм) iз констрyкцiйно!' сталi 12ХНЗА
Данi експериментальт дослвдження дають шдс-таву для висновку про наявнiсть для конкретних рiзно-видiв змiцнювального металу оптимальних значень не тшьки сили F ударно! взаемодо змiцнювача iз оброблю-ваною деталлю, а i регламентуючих !! таких основних конструктивних та технологiчних параметрiв змщнювача як його маса, ексцентриситет i, незаперечно, к1льк1сть повторних переход1в. Зрозyмiло, що iз змiною розмiрiв, а головне марки та властивостей металу змiцнюваних деталей, всi конструктивт та технологiчнi параметри запропонованого змщнювача неодмшно тдлягатимуть корегуванню експериментальною перевiркою.
Перевагою запропоновано! технологi! змiц-нення поверхневим пластичним деформуванням зов-
тштх цилшдричних поверхонь довгом1рних деталей, пор1вняно 1з ввдомими, е те, що завдяки ударнш взаемодп масивного змщнювача 1з змщнюваною по-верхнею забезпечуються значш в межах 0,15^0,2 мм товщини залягання змщненого прошарку матер1алу на цих сталевих деталях та вища, пор1вняно 1з вщо-мими, стутнь змщнення. До того ж, наявнють знач-но! шлькосп розмщених на масивному змщнювач1 деформ1вних тш сприяе пвдвищенню продуктивносп змщнювально! обробки.
Певною перевагою дано! технолог!! е 1 утверса-льн1сть конструктивно! схеми реалзуючого його пристрою, яка дозволяе окр1м торс1онних вал1в розповсю-дити 1! 1 на шш1 р1зновиди довгом1рних деталей. Зокре-
ма технологи та конструкция змщнювача придатш для обробки з метою щдвищення надшносп та довгов1чно-сп навантажених знакозмшними циклчними наванта-женнями твосей автомобильного та зал1зничного транспорту, торсюнних вал1в великотоннажних транспортних засоб1в, у тому числ вшськових танков та самохвд-них артилершських установок, бурових труб тощо. Окр1м цього, завдяки забезпечуваному змщненням тд-вищенню мщносп матер1алу, вони можуть використо-вуватися 1 для зменшення маси та матер1аловм1стимосп обсадних труб свердловин, труб високого тиску 1 подаб-них !м масивних довгом1рних деталей, навантажених значними статичними навантаженнями.
6. Висновки
1. Розроблено 1 дослщжено принципово нову конструкцш пристрою для змщнювально! обробки поверхневим пластичним деформуванням зовшшшх цилшдричних поверхонь довгом1рних деталей, аналоги яко! ввдсутш у свгговш практищ змщнювальних технологш та реал1зуючого !х устаткування.
2. Встановлеш математичш залежност1 для ви-значення величин забезпечуваних в процеа обробки контактних напружень в матер1ал1 оброблювано! де-тал1 та основних конструктивних параметр1в змщню-вача даного пристрою, а саме його маси т та ексцент-риситету е, експериментально перев1рено !х вплив на показники якост1 змщнювально! обробки.
3. Визначено основш технолопчш та констру-ктивш параметри змщнення зовшшшх поверхонь довгом1рних деталей 1з використанням запропонова-но! конструкцп, що мають визначальний вплив на силу ударно! взаемодп змщнювального шструменту (змщнювача 1з деформ1вними тшами) 1з матер1алом оброблювано! детал1, а ввдповвдно 1 на параметри та яшсть змщнювально! обробки.
4. Експериментально встановлено, що при обро-бщ на запропонованому пристро! цилшдричних зразк1в 1з конструкцшно! стал 12ХН3А забезпечувана товщина змщнення знаходиться в межах 0,10^0,20 мм. При цьо-му виявлено, що подальше нарощування сили ударно! взаемоди змщнювача 1з деталлю провокуе перенакле-пування !! металу. Це сввдчить про наявтсть оптималь-них р1вшв технолопчних параметр1в даного змщнюва-льного процесу, щдтверджуе потребу в !х оптишзацп при змЫ матер1алу оброблювано! детал чи !! розм1р1в.
5. Окреслено р1зновиди та групи довгом1рних деталей, для яких ефективне використання запропо-нованих технолог!! та конструкц1! зм1цнювального пристрою, серед яких виокремлено детал1, що в про-цес1 експлуатац1! щддаються знакозм1нним цикл1чним навантаженням, зокрема торсюнш вали великотонаж-них транспортних засоб1в, у тому числ1 в1йськових таншв та самохвдних артилер1йських установок.
Лггература
1. Афтаназ1в, I. С. Технолопчш методи забезпечен-ня надшноста машин [Текст] / I. С. Афтаназш та ш. - Ки!в: КИТ, 2004. - 148 с.
2. Афтаназiв, I. С. Шдвищення надшноста деталей машин поверхневим пластичним деформуванням [Текст] / I. С. Афтаназiв та ш. - Житомир: ЖГП, 2001. - 516 с.
3. McCormick, D. Shot peen gears for longer life [Text] / D. McCormick // Design Eng. - 1981. - Vol. 52, Issue 7. - P. 49-52.
4. Заневский, И. Ф. Динамика и расчет протяженных вибрационных машин для обработки длинномерных изделий [Текст]: автореф. дис. ... канд. тех. наук / И. Ф. Заневский. - Львов, 1980.
5. Пат. Укра!ни на винахщ № 51720. Пристрш для змщнення поверхонь довп^рних цилшдричних деталей [Текст] / Афтаназш Г. С., Кусий Я. М. - опубл. 2002; Бюл. № 12.
6. Дзюнкити, И. О самосинхронизации вибраторов. Часть 1. Вращение неуравновешенного ротора, зависящее от гармонических колебаний его оси [Текст] / И. Дзюнкити,
A. Йосиоки, Х. Сэцуко // Нихон Кикай гаккай роибуесю, 1966. - № 234.
7. Блехман, И. И. Синхронизация динамических систем [Текст] / И. И. Блехман. - М.: «Наука», 1971. - 896 с.
8. Афтаназив, И. С. Вибрационно-центробежная упрочняющая обработка деталей машин [Текст] / И. С. Аф-таназив, П. С. Берник, Р. И. Сивак, А. Д. Клименко. - Винница: ВГАУ, 2002. - 235 с.
9. А. с. № 831581 (СССР) Способ упрочнения деталей [Текст] / Повидайло В. А., Коршунов Ю. Ю., Аникин
B. В., Афтаназив И. С., Щигель В. А. - заявл. 17.10.78; опубл. 23.05.81; Бюл. № 19.
10. А. с. № 910396 (СССР) Способ упрочнения деталей [Текст] / Повидайло В. А., Щигель В. А., Афтаназив И. С. - опубл. В Б.И.; 1982; Бюл. № 9.
References
1. Aftanaziv, I. S. et. al (2004). Tehnologichni metody zabezpechennja nadijnosti mashyn. Kyiv: KYT, 148.
2. Aftanaziv, I. S. et. al (2001). Pidvyshhennja nadijnosti detalej mashyn poverhnevym plastychnym deformu-vannjam. Zhytomyr: ZhITI, 516.
3. McCormick, D. (1981). Shot peen gears for longer life. Design Eng., 52 (7), 49-52.
4. Zanevskij, I. F. (1980). Dinamika i raschet prot-jazhennyh vibracionnyh mashin dlja obrabotki dlinnomernyh izdelij. Lvov, 1980.
5. Aftanaziv, I. S., Kusyj, Ja. M. (2002). Pat. Ukrai'ny na vynahid № 51720. Prystrij dlja zmicnennja poverhon' dov-gomirnyh cylindrychnyh detalej. opubl. 2002; Bjul. № 12.
6. Dzjunkiti, I., Josioki, A., Sjecuko, H. (1966). O sa-mosinhronizacii vibratorov. Chast' 1. Vrashhenie neuravnove-shennogo rotora, zavisjashhee ot garmonicheskih kolebanij ego osi. Nihon Kikaj gakkaj roibuesju, 234.
7. Blehman, I. I. (1971). Sinhronizacija dinamicheskih sistem. Mosvow: «Nauka», 896.
8. Aftanaziv, I. S., Bernik, P. S., Sivak, R. I., Klimen-ko, A. D. (2002). Vibracionno-centrobezhnaja uprochnjajush-haja obrabotka detalej mashin. Vinnica: VGAU, 235.
9. Povidajlo, V. A., Korshunov, Ju. Ju., Anikin, V. V., Aftanaziv, I. S., Shhigel', V. A. (1981). A. s. № 831581 (SSSR) Sposob uprochnenija detalej. zajavl. 17.10.78; opubl. 23.05.81; Bjul. № 19.
10. Povidajlo, V. A., Shhigel', V. A., Aftanaziv, I. S. (1982). A. s. № 910396 (SSSR) Sposob uprochnenija detalej. opubl. V B.I.; 1982; Bjul. № 9.
Дата надходження рукопису 18.03.2016
Афтаназiв 1ван Семенович, доктор техшчних наук, професор, кафедра нарисно! геометрп i шженерно! графiки, Нацюнальний унiверситет «Львiвська полгтехшка», вул. С. Бандери, 12, м. Л^в, Укра!на, 79013 E-mail: [email protected]
Шевчук ЛШя 1ва1мвиа. доктор технiчних наук, доцент. кафедра технологи оргашчних продуктiв, Наць ональний унiверситет <^bBiBCbra полггехшка», вул. С. Бандери ,12, м. Львiв, Укра!на, 79013 E-mail: [email protected]
Строган Орися 1вашвна, кандидат техшчних наук, асистент, кафедра нарисно! геометрп i шженерно! графiки, Нацюнальний унiверситет <^bBiBCbo полггехшка», вул. С. Бандери, 12, м. Львiв, Укра!на, 79013
УДК 622.691
DOI: 10.15587/2313-8416.2016.67695
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ СКЛАДНИХ ГАЗОТРАНСПОРТНИХ СИСТЕМ В КОМПЛЕКС З ПСГ
© В. Я. Грудз, Я. В. Косив, В. Р. Процюк, Д. Ф. Тимк1в
У дант роботi авторами розглядаеться проблема розрахунку складно'1 газотранспортной системи, яка мгстить ряд газопроводiв, що утворюють лШйну частину, та ряд компресорних станцш, як в сукуп-ностi представляють по^довно та паралельно з'еднат ланки, i вiд характеристик яких залежить величина пропускно'1 здатностi. Для розрахунюв та побудови характеристик лтйног частини запропоновано метод еквiвалентного дiаметру
Ключовi слова: пропускна здатнiсть, метод е^валентного дiаметру, гiдравлiчна ефективтсть, ком-пресорна станщя, математична модель
In this paper the authors explore the problem of calculation of the complex gas transportation system, which includes a number ofpipelines that form linear part and a number of compressor stations, which together represent segments connected in series and parallel, and the characteristics of which affect the value of the flow capacity. The method of equivalent diameter of the gas transportation system of any complexity was proposed Keywords: flow capacity, method of equivalent diameter, hydraulic efficiency, compressor station, mathematical model
1. Вступ
Пропускна здатшсть складно! системи газоп-ровод1в як функщя параметр1в режиму е основним виробничим показником, який характеризуе стушнь використання газопровод1в за призначенням.
Складна газотранспортна система м1стить ряд газопровод1в, що утворюють лшшну частину, та ряд компресорних станцш, яш в сукупносп представляють послщовно та паралельно з'еднаш ланки, 1 в1д характеристик яких залежить величина пропуск-но! здатносп. В зв'язку з1 сказаним, на величину пропускно! здатносп мають вплив характеристики кожно! з компресорних станцш 1 кожно! з лшшних д1лянок.
Визначення пропускно! здатносп простого од-нониткового газопроводу е складною, з точки зору обчислень, задачею, оскшьки ряд параметр1в, що входять в основне р1вняння газопровод1в, залежать в1д величини витрати газу (коефщент пдравл1чного опору, середня температура газу, коефщент стисли-вост1). Тому для визначення величини пропускно! здатносп простих газопровод1в запропоновано кори-стуватися 1терац1йною процедурою [1, 2].
Для складних газотранспортних систем задача значно ускладнюеться, оскшьки кожна л1н1йна д1лян-ка характеризуеться сво!м значенням пропускно! зда-тносп, а продуктивн1сть кожно! з компресорних станцш, що залежить в1д !х основного обладнання, схе-
ми та параметр1в режиму роботи, повинна вщповвда-ти пропускн1й здатност1 системи.
2. Аналiз лiтературних джерел по данш те-матицi
Системний пвдхвд до визначення пропускно! здатност1 складних ГТС уперше викладено в [3]. Запропоновано шляхом сумщення характеристик компресорних станцш 1 лшшних д1лянок визначати ро-бочу точку газотранспортно! системи, яка складаеть-ся з послщовно з'еднаних ланок - компресорних станцш 1 лшшних д1лянок. Однак запропонований метод може бути усшшно реал1зованим лише для щеа-льно! газотранспортно! системи, яка складаеться з однотипних ланок.
Певн1 вдосконалення в запропонований метод внесено в роботах [4, 5], де пропускна здатшсть ль ншних дшянок 1 продуктившсть компресорних стан-ц1й визначаються з урахуванням пдравл1чно! ефекти-вносп газопровод1в 1 параметр1в роботи газоперека-чувальних агрегат1в. Однак, запропонована методика може бути використана в умовах обмеженого числа лшшних дшянок 1 компресорних станцш. Окр1м того, графоаналггичний шдхвд до проблеми вносить певну похибку в результата розрахунюв. Запропонований шдхвд до визначення пропускно! здатносл складних газотранспортних систем мае за мету вдосконалення системного щдходу з урахуванням реальних характе-
