Повышение качества приозводства поршневых колец Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Таким образом, при нормировании поверочных расчетов резьбовых соединений на хрупкую прочность рекомендуется КИН оп-

ределять по выражению (4, б), а размер гипотетической трещины назначать равным одному шагу резьбы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Титов, В.Б. К вопросу определения коэффициентов интенсивности напряжений резьбовых соединений [Текст] / В.Б. Титов, Т.А. Дудник,— В кн.: Актуальные задачи машиноведения, деталей машин и триботехники: Труды Международ, науч.-техн. конф., 27—28 апреля 2010 / Балт. гос. техн. ун-т,- СПб., 2010,- С. 122-126

2. Александров, А.Я. Поляризационно-опти-ческие методы механики деформируемого тела |Текст| / А.Я. Атександров, М.Х. Ахметзянов,— М.: Наука, 1973,- 576 с.

3. Richard Hans Albert. Interpolationsformel fbr Spannugsintensitfltsfaktoren |Текст| / Richard Hans Albert // VD1-Z. 1979,- 121, № 22,- S. 1138-1143.

4. Механика разрушения и прочность материалов [Текст]: Справочное пособие в 4 т. / Под общ. ред. Панасюка В.В.— Киев: Наукова думка, 1988.

5. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений [Текст]: С74 в 2-х томах / Пер с англ. под ред. Ю. Мураками,— М.: Мир, 1990,— 1016 с.

6. Горынин, В.И. Сопротивляемость деформированию и разрушению высокопрочных металлических материалов для крепежных деталей атомных энергетических установок [Текст]: автореф. дисс. ... докт. техн. наук / В.И. Горынин,— СПб., 1995,- 40 с.

7. МР 108.7—86. Методические рекомендации. Оборудование энергетическое. Расчеты и испытания на прочность. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений [Текст] / ЦНИИТМАШ,— М., 1986,— Приложение 3,— 19 с.

8. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок П и НАЭГ-7-002—86.

9. Титов, В.Б. Моделирование напряженно-деформированного состояния оборудования АЭС с целью совершенствования методов расчета на хрупкую прочность [Текст]: автореф. ... канд. техн. наук / В.Б. Титов,— Москва, 1987,— 16 с.

УДК 621.746

В.И. Маслов, А.И. Арустамян ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОИЗВОДСТВА ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ

В современной России насущная проблема производства продукции машиностроения — повышение ее конкурентоспособности в условиях поступления на наш рынок не только импортных товаров широкого потребления, но и практически любых изделий промышленного назначения: от готовых автомобилей до комплектующих и запасных частей. В то же время потенциал отечественного машиностроения еще достаточно высок благодаря наличию дешевых топлива, сырья, материалов, а также и достаточно недорогих трудовых ресурсов. Высок также и внутренний спрос на отечественную продукцию. Однако доля импорта в его замещении по-прежнему весьма высока из-за того, что наши изделия, хотя и предлагаются по более низкой цене, чем импортные, уступают им в качестве.

Из-за этого, в частности, производство отечественных поршневых колец, используемых в растущем парке автомобилей, тракторов, мотоциклов, имеет тенденцию к сокращению. Для коренного изменения такой ситуации, если учесть ценовую конкурентоспособность отечественных поршневых колец, необходимо и достаточно лишь повышение их качества до уровня зарубежных аналогов.

Поэтому целью проведенных нами исследований была разработка инновационной технологии управления точностью позиционирования ковша с расплавленным металлом по отношению к литейной форме, что в свою очередь позволит существенно повысить качество изготовления отливок поршневых колец до заданного уровня.

Необходимо снижать отклонения положения ковша с расплавленным металлом при заливке литейных форм для поршневых колец. При неавтоматическом литье (а именно эти линии используются при изготовлении такой дешевой продукции, каковой являются поршневые кольца) эта задача решается путем повышения требований к квалификации литейщиков. Однако очевидно, что влияние человеческого фактора на позиционирование ковша при розливе металла без средств инструментального контроля высоты струи принципиально не может быть полностью исключено даже при высокой квалификации оператора. В результате часто (около трети случаев) положение ковша занижается и не обеспечивает достаточное давление струи заливаемого металла, а как результат — нарушается геометрическая форма кольца, возникают неспаи либо появляются раковины и пористость в отливках, т. е. брак. Нередко, когда отсутствует управление высотой позиционирования, носик ковша при увеличении его наклона разбивает верхнюю кромку воронки.

С другой стороны, завышенное положение ковша приводит к увеличению высоты струи расплавленного металла, снижается его температура в песчаной форме, увеличивается время заливки, нарушается непрерывность струи металла, появляются пустоты и раковины в отливке. Из-за повышенной кинетической энергии происходит разрушение форм, что хорошо иллюстрирует рис. 1, на котором видно вытекание расплавленного металла из места разрушения. В таких случаях характеристики продукции не соответствуют требованиям в части однородности и прочности (появляются многочисленные газовые раковины, неметаллические включения — песчаные частицы из заливочной формы), а также существенно повышается расход металла из-за его вытекания из песчаной формы ввиду высокого давления.

Задачу обеспечения стабильности режима заливки металла, а следовательно, характеристик изготавливаемой отливки предлагается решать путем автоматизации управления позиционированием заливочного ковша. При выполнении технологической операции позиционирования с заданным качеством автоматизация управления позволяет, кроме того, повысить производительность и эффективность производственного процесса, а также снизить затраты по статье «заработная плата» — функция контроля переходит

Y

"Ч

«

* \

t

Рис. 1. Разрушение заливочной формы поршневых колец при отклонении положения ковша сверх допустимого уровня

к автоматизированной системе управления качеством продукции. Очевидно, что стоимость системы автоматизации при таком решении не должна превосходить дисконтированного денежного потока на заработную плату.

Предложено технологическое решение автоматизации контроля высоты расположения заливочного ковша, на которое получен патент [ 1 ].

Для контроля положения ковша при заливке форм металлом целесообразна дистанционная идентификация поверхности расплавленного металла по спектру излучения. Регистрация уровня ковша может быть осуществлена по спектральному излучению дистанционно расположенными датчиками. Реализация такого способа регистрации уровня ковша требует выбора датчиков, спектральные характеристики чувствительности которых позволяли бы зафиксировать характерные спектры излучения ковша с расплавленным металлом на фоне излучений других объектов. Формализованно задача сводится к выбору такого датчика или совокупности датчиков, характеристики которых с требуемой погрешностью 8доп совпадают со спектральной характеристикой излучения. На рис. 2 изображена спектральная характеристика идентифицируемого объекта ДА,).

Интервал излучения A,min—A,max регистрируемого объекта представляется периодом 2п функ-цииДх).

ТогдаДх) разлагается в ряд Фурье fi(x) = A0i+ А!и sinх + A"¡ cos x +

+A!2í sin+ A"i cos2x + ...+ + A'ki sinkx + Ah cosfee +... (1)

2,5

1,5

0,5

iiu.

200

400

600

800 Длина волны, нм

Рис. 2. Регистрируемая спектральная характеристика излучения

Полный набор коэффициентов Фурье (или преобразование Фурье) однозначно определяет соответствующую функцию /(х) почти всюду в интервале разложения [2].

Аналогично представляется спектральная характеристика каждого датчика синтезируемого набора, которая дает зависимость потока /как функцию длины волны [3].

Математически формализовать задачу синтеза, т. е. подбора совокупности датчиков (числа и их видов), можно поставив задачу поиска таких кф которые обеспечат минимизацию

Г(х) = \Дх)-их)\ (2)

при выполнении условия допустимой погрешности

8доп - ei + ed'

(3)

F(x, kdj) достигает минимума, равного нулю, при

А кd\Ad\ ••• ^dnAdn~^

А ~ ^diAdl '

" ^dlAdl '

Л"_ b A» _м „ .

- kvnA]/

A ~kd\Adl ~kdlAd2 ~

А"-к А" -к А" -

2 Kdvhd\ ^d2 2d2

Ac ^d\Ad\ ^dlAdl

А"-к A" ■

лк ^dl^kdl

• ~ ^dnAdn

• ~ ^dnAdn ••~kdnAdn

(4)

•• kdnAcdn-®'

a:

[M - kdi^Mdi'

A" .

-к A" ■

vd2 Md2 '

" kdn^Mdn :

-k A"

^dn Mdn

= 0; ■ 0.

Полученная система уравнений (4) в формализованном виде отражает задачу синтеза набора датчиков с индивидуальными спектральными характеристиками чувствительности, а также удельного влияния kdj на синтезируемую характеристику, в результате которого обеспечивается максимально возможное приближение спектральной характеристики излучения (или отражения) идентифицируемого объекта к результирующей характеристике регистрирующих устройств.

Второй задачей идентификации ковша с расплавленным металлом является отнесение регистрируемой датчиком спектральной характеристики к кластеру расплавленного металла, а не фоновых излучений.

Наиболее часто критерием кластеризации служит среднеквадратичное отклонение характеристик, в рассматриваемом случае — их энергии излучения в диапазоне чувствительности, пороговое значение которой и служит границей кластеров.

Предлагается для кластеризации характеристик излучения /-го объекта использовать квадратичную форму отклонений составляющих ряда Фурье. Для этого в интервале излучения A,min—A,max регистрируемого объекта / спектральная характеристика представляется функцией fi(x) в виде ряда Фурье:

fi(x) = Ay sinx + A{'¿ cosx + +A2i sin 2x + A"¡ eos 2x +... + (5)

+A'ki sinkx + A^ coskx +...,

где A0/ — постоянная составляющая; A'ki, A£¡ — амплитуды синусоидальной и косинусоидаль-ной к-й составляющих ряда; величина х выражается через длину волны:

х = соХ = 2п 1 Xmin

1 —

^max ^min

(6)

где A,max A,min -

- регистрируемый интервал спек-

тра излучения.

Спектральную характеристику, принадлежащую другому объекту у, также можно представить рядом Фурье/рс). Ограничимся конечным числом членов рядов Дх) и /рс). В этом случае возникают погрешности и ву, которые определяют, с одной стороны, требуемое число членов рядов, а с другой стороны, — минимальную границу кластеризации. Предлагаемый метод кла-

Оптический сигнал спектра, отличного от идентифицируемого: /0 (X) ф (А,)

Расплавленный металл ^

Оптический сигнал идентифицируемого спектра (А)

Оптический сигнал спектра, отличного от идентифицируемого: /0 (X) ф (к)

ид

Копус системы контроля

Рис. 3. Расположение датчиков контроля положения разливочного ковша

стеризации объектов по спектральным характеристикам излучения Дх) их), например принадлежащим к одному кластеру, основан на регистрации выполнения условия

(7)

/=1

При разложении характеристик в ряд Фурье получено условие выполнимости (3), которое сводится к следующему:

Л —Л А' — А' А" — А"

А)/ _ ЛМ ~ /11./'

^2/ ~ ^2./' ^2/ ~ ^2' ••• = А'ц, А"ш = Ац. (8)

Практическое применение предложенного метода кластеризации позволяет, существенно ограничив число контролируемых величин по сравнению со спектральным анализом, гарантировать тот же самый результат.

Разработана автоматическая система [1] (рис. 3, 4) контроля и отображения местоположения ковша. Способ, лежащий в его основе, предполагает регистрацию температур окружающей среды (/0) и ковша (/к) линейкой фотодиодов (датчиков) инфракрасного рабочего спектра, закрепленных на рейке (корпус системы контроля) на высотах требуемого положения ковша (объект идентификации) при каждой порции разливки металла, а также дополнительно одного фотодиода — выше верхнего уровня ковша, другого — ниже нижнего уровня ковша.

Расположение светодиодов на вертикальной линейке обеспечивает отображение расположения ковша. На линейке также располагаются отметки требуемого положения для выполнения

каждой дозы заливки. Шаг установки фотодиодов (а соответственно, — их число) равен допустимой погрешности позиционирования ковша.

Предложенная система дистанционного контроля положения коша с расплавленным металлом изготовлена. Выполнены ее натурные испытания и исследования на технологической линии заливки чугуна при изготовлении поршневых колец. Автоматизированная система в действии в литейном цехе представлена на фотографии (рис. 5).

Устройство контроля положения ковша со светодиодной линейкой индикации и датчиками-фотодиодами (на фотографии — слева от ковша) закреплено на регулируемых кронштейнах. Расстояние от кромки воронки верхней опоки до нижнего фотодиода по вертикали устанавливается равным 20 см. Это обеспечивает контроль допустимой высоты струи расплавленного метал-

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема соединения датчиков и светодиодов индикации положения разливочного ковша

Рис. 5. Устройство контроля, заливочные формы и ковш с расплавленным металлом

ла (диапазон 20—25 см). По горизонтали оптимальное расстояние крепления устройства контроля составляет 30—40 см до кромки воронки.

При подаче расплавленного металла к стопкам оператор управляет подъемом (или снижением) ковша в зависимости от его заполнения расплавленным металлом. При заполненном ковше (100 кг металла) угол его наклона при розливе составляет 10—15°. По мере заполнения форм угол увеличивается до 120°. Существенно изменяется высота струи металла. Оператор-заливщик управляет электроприводом подвески подъема ковша по мере заливки каждой последующей стопки опок. Световой сигнал внутри линейки индикации отображает положение ковша через каждые 20 мм. Такая дискретность достаточна для поддержания оптимальной высоты струи металла в 200—250 мм, а также обеспечения оптимальной подачи расплавленного металла (2,5—3,5 кг/с).

Проведенные эксперименты показали заметное повышение качества отливок и снижение процента брака. Этим результатам будет посвящена отдельная статья.

Рассчитана ожидаемая экономическая эффективность от внедрения разработанной мето-

список ;

1. Патент РФ на полезную модель № 69233.

Устройство для контроля положения ковша с расплавленным металлом [Текст] / В.Ф. Минаков и А.И. Арустамян.— Зарегистр. в Гос. реестре полезных моделей РФ 10.12.2007. Приоритет от 25.04.2006.

2. Корн, Г. Справочник по математике для на-

дики и устройства контроля положения ковша при розливе металла. Эффективность определяется снижением затрат по сравнению с базовым вариантом в связи с уменьшением брака, а также отсутствием необходимости постоянной замены контактирующих с расплавленным металлом датчиков. Она составляет для программ изготовления поршневых колец на ОАО «Ставропольский завод поршневых колец — СТАП-РИ» до 1 млн руб. в год в зависимости от программ выпуска изделий.

Предложен способ идентификации положения ковша с расплавленным металлом при изготовлении отливок деталей машин, основанный на кластеризации спектральных характеристик излучения металла при литье; он предполагает использование датчиков излучения и выбор характеристик последних по максимальной близости к первым. Разработано и экспериментально проверено устройство автоматизированного дистанционного контроля положения ковша при заливке металла в литейные формы. Установлено снижение брака, повышение качества отливок, а соответственно, — обеспечение экономического эффекта.

учных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы [Текст] / Г. Корн, Т. Корн.— М.: Наука, 1977.— Изд. 4-е.

3. Сотсков, Б.С. Основы расчета и проектирования элементов автоматических и телемеханических устройств [Текст] / Б.С. Сотсков.— М.-Л.: Госэнергоиздат, 1953.