CC BY
5
УДК 62-1
doi:10.21685/2072-3059-2022-2-11
Совершенствование технологического процесса сборки сошника на основе модернизации конструкции и экспериментальных исследований ее жесткости
А. Е. Зверовщиков1, Р. Д. Михеев2, Д. В. Артамонов3
1,2'3Пензенский государственный университет, Пенза, Россия 1azwer@mail.ru, 2romanmixxx@mail.ru, 3dmitrartamon@yandex.ru
Аннотация. Актуальность и цели. Повышение технологичности изделий на этапах конструирования и технологической подготовки производства определяет эффективность всех последующих действий как по разработке технологических процессов, так и функционированию механообрабатывающих систем. Изменение конструкции узла на основе оценки эксплуатационных характеристик изделия является наиболее оптимальным путем повышения технологичности без снижения потребительских свойств этого изделия. Целью работы является обоснование модернизации сошникового узла сеялки для повышения эксплуатационных характеристик и технологичности. Материалы и методы. Проведены экспериментальные исследования серийной сборочной единицы по классической методике. Результаты. Разработана методика обеспечения функциональных характеристик сошникового узла и определены требуемые характеристики упругих элементов конструкции. Выводы. Количественная оценка упругих характеристик деформируемых элементов требует уточнения исходных данных, являющихся непостоянной величиной в условиях серийного производства. В соответствии с этим изменение конструкции сошника и организация нормированного входного контроля позволили обеспечить качественные характеристики сошника сеялки.
Ключевые слова: жесткость, деформация, упругие элементы, сошник, сеялка, экспериментальная модель
Для цитирования: Зверовщиков А. Е., Михеев Р. Д., Артамонов Д. В. Совершенствование технологического процесса сборки сошника на основе модернизации конструкции и экспериментальных исследований ее жесткости // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2022. № 2. С. 134143. doi: 10.21685/2072-3059-2022-2-11
Improving the technological process of assembling the coulter based on the design modernization and its rigidity experimental studies
A.E. Zverovshchikov1, R.D. Mikheev2, D.V. Artamonov3
1,2,3Penza State University, Penza, Russia :azwer@mail.ru, 2romanmixxx@mail.ru, 3dmitrartamon@yandex.ru
Abstract. Background. Improving the manufacturability of products at the stages of design and technological preparation of production determines the effectiveness of all subsequent actions, both in the development of technological processes and the functioning of machining systems. Changing the design of the assembly based on an assessment of the performance characteristics of the product is the most optimal way to improve manufacturability
© Зверовщиков А. Е., Михеев Р. Д., Артамонов Д. В., 2022. Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License / This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.
without reducing the consumer properties of the product. The purpose of the work is to justify the modernization of the coulter unit of the seeder to improve performance and manu-facturability. Materials and methods. Experimental studies of a serial assembly unit according to the classical method. Results. A technique has been developed to ensure the functional characteristics of the coulter unit and the required characteristics of the elastic elements of the structure have been determined. Conclusions. Quantitative assessment of the elastic characteristics of deformable elements requires clarification of the initial data, which is a variable value in the conditions of mass production. In accordance with this, the change in the design of the coulter and the organization of normalized input control made it possible to ensure the quality characteristics of the seeder coulter.
Keywords: rigidity, deformation, elastic elements, coulter, seeder, experimental model
For citation: Zverovshchikov A.E., Mikheev R.D., Artamonov D.V. Improving the technological process of assembling the coulter based on the design modernization and its rigidity experimental studies. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2022;(2):134-143. (In Russ.). doi:10.21685/2072-3059-2022-2-11
Наличие развитой и по-современному оснащенной отрасли сельскохозяйственного машиностроения во многом способствует сохранению и наращиванию экономической и продовольственной безопасности страны. Большая доля высокотехнологичного производства обеспечивает конкурентоспособность продукции на мировом рынке и служит гарантом роста отрасли.
Сеялки относятся к одному из наиболее востребованных видов сельхозтехники в России. Универсальные сеялки применяют для высева семян различных культур.
Сошники являются вторым основным рабочим органом зерновых сеялок. Они служат для создания в почве бороздки и укладки на ее дно семян и удобрений. От качества работы сошников в значительной мере зависит появление равномерных дружных всходов и развитие растений.
Предметом исследования являлись кинематика и технологические характеристики сошника универсальной пневматической сеялки.
Конструкция сборочной единицы «Сошник» (рис. 1) представляет собой крепящийся на балку 2 посредством обоймы 3 с упругими элементами 4 кронштейн 1, на котором смонтированы острозаточенные диски 5 с радиальными вырезами 6 по контуру, расположенные в шахматном порядке. Таким образом, каждый сошник ограниченно подвижен за счет упругой деформации элементов 4 и крутильных колебаний обоймы 3, что позволяет во время движения предохранить сошники от повреждения при наезде на препятствие. Отсутствие возможности проведения полноформатных ходовых испытаний при эксплуатации в полевых условиях сформировало проблему нормирования усилия воздействия на сошник и его допустимой деформации при разработке технического задания на проектирование [1].
Жесткость упругого элемента 4 определяет возможное отклонение узла при контакте с препятствием для обхода последнего. Невозможность нормирования качества упомянутого комплектующего не позволяет обеспечить стабильность и требуемый ресурс работы сборочной единицы.
Для определения предельно допустимых деформаций и соответственно фактических усилий деформирования принято решение проведения работ по обратному инжинирингу моделей работоспособных устройств. Информация, собранная на предприятии, показала необходимость проведения эксперимен-
тальных исследований по классической методике [2], основной целью которых является оценка жесткости сборочной единицы, определение фактических усилий для предельно допустимых деформаций и поиск решений по стабилизации ее деформационных характеристик, чтобы обеспечить эксплуатационные качественные параметры изделия.
Рис. 1. Сборочная единица (сошник): 1 - кронштейн; 2 - балка;
3 - обойма; 4 - упругие элементы; 5 - диск; 6 - радиальный вырез
Испытания проводились на серийном изделии, находящемся в ремонтном производстве, схема которого представлена на рис. 2.
В качестве нагружающего динамометра использовалось устройство с точностью измерения 0,1 Н, соответствующее ГОСТ Р 55223-2012. В целях рандомизации измерений нулевая отметка контрольной точки устанавливалась на измерительной шкале отлично от нулевого деления. Направление мерной шкалы и направление усилия нагружения выдержаны перпендикулярно несущей балке, контактирующей с элементами 4 (рис. 2). Балка рамы изделия при испытаниях была фиксирована.
Отметка нулевой точки и величина смещения контрольной точки выполнялись по положению отвеса, закрепленного по поверхности гайки оси. Базовой поверхностью служила поверхность гайки, наиболее удаленная от нагружающего динамометра. Контроль отсутствия смещения нулевой точки (гистерезиса) выполнялся после каждого измерения.
Нагрузочный динамометр присоединялся через жесткую тягу к нижней точке сошника через монтажный зазор узла 7 (рис. 2). Величина прикладываемого усилия изменялась в случайной последовательности. Нагружение и снятие нагрузки проводилось безударно.
Откликом принято линейное смещение контрольной точки в проекции на мерную шкалу.
Влияние на результат измерения угла наклона поз. 1, изменения высоты положения отвеса, погрешности отклонения тяговой проволоки от гори-
зонтального положения считались незначимыми в соответствии с результатами предварительного эксперимента.
Рис. 2. Схема нагружения и измерения деформации сборочной единицы КСИЛ.273114.027
По результатам измерений рассчитывались средние значения линейного смещения. Ошибка измерений оценивалась интервально через дисперсию результатов измерений.
Для расчета характеристик несущей способности сборочной единицы был разработан показатель, названный условной жесткостью [3] конструкции, который определялся по формуле
Е
J =—, Н/мм, А
где Е - усилие нагружения, Н; А - величина смещения контрольной точки, мм. Размерность расчета, отличная от СИ, выбрана из условия лучшего восприятия результата измерения контролерами.
Принято допущение, что деформация сборочной единицы обусловлена только упругими деформациями детали 4 и смещениями данной детали относительно основных конструкторских баз. Допущение основано на данных визуального контроля деформации конструкции сеялки в целом при нагру-жении.
Испытанию подвергались заведомо работоспособные сборочные единицы с комплектующими 4 внутризаводского производства из резинотехни-
ческой смеси в соответствии с ТУ 2512-046-00152081 и комплектующими, изготовленными из покупного изделия, из резинотехнической смеси, соответствующей ГОСТ 6467-79. Сошники, которые участвовали в исследовании, располагались на различном расстоянии от края несущей балки. Установлено, что значимого влияния на результаты испытаний сборочной единицы данный фактор не оказывает.
Зависимость деформации сборочной единицы с покупными комплектующими от нагрузки отражена на рис. 3.
Рис. 3. Деформация сборочной единицы КСИЛ.273114.027 в сравнении с покупными
комплектующими: 1, 2, 3 - графики по результатам измерений сошников поз. 1, 2, 3 соответственно (рис. 4); 4 - график зависимости по усредненной модели
Средняя жесткость составила J = 9,32 Н/мм.
Стандартное отклонение, характеризующее ошибку измерения и влияние неконтролируемых факторов, погрешности нагружения, составило В^ = 0,19.
Усредненная модель, связывающая величину деформации А (мм) и усилие нагружения Е (Н) с доверительной вероятностью не менее Р = 0,85 для каждого из измеряемых сошников (рис. 4), имеет вид
А1 = -0,000185Е2 + 0,1699Е-1,0007; Я2 =0,9886;
А2 = -0,000012Е2 +0,1117Е-0,5581; Я2 =0,9431;
А3 = 0,000257Е2 + 0,0475Е-2,6942; Я2 = 0,9104.
После отбрасывания незначимых коэффициентов и усреднения параметров получаем
А = 0,1097^ +1,4177.
Влияние нагрузки на деформацию сборочной единицы с деталями 4 (рис. 2) внутризаводского производства отражено зависимостью на рис. 5.
А, мм 4
3 2
О
А / \ / 1 V .—я-" — / / /
/ / /
л]
11
100 120 по 160 180 200 Е Н
Рис. 5. Деформация сборочной единицы КСИЛ.273114.027 в сравнении с деталями внутризаводского производства: 1 - график по результатам измерений; 2 - график зависимости по усредненной модели
Средняя жесткость составила J = 48,95 Н/мм.
Стандартное отклонение, характеризующее ошибку измерения и влияние неконтролируемых факторов, погрешности нагружения и т.п., составило
Б] = 0,91.
Модель, связывающая величину деформации А (мм) и усилие нагружения ^ (Н) с доверительной вероятностью около Р = 0,6, имеет вид
А = -0,000026^2 + 0,0235^.
Большая погрешность измерений связана с меньшими деформациями и смещениями контрольной точки, что автоматически повышает долю ошибки в номинальном значении.
Можно отметить, что, кроме различия в абсолютных значениях жесткости, нагрузочная кривая для сборочной единицы с деталями внутризаводского изготовления имеет характер, близкий к линейному, что говорит о работе деталей 5 в более благоприятных условиях, удаленных от критического уровня нагрузки. Также можно отметить, что смещение сошника при приложении нагрузки в пределах 20-50 Н на покупных деталях составляет до 3 мм, а при использовании заводских комплектующих не превышает ошибки измерения. Рациональной величиной смещения можно считать величину 4 ±1 мм при нагрузке 150 Н.
Для сравнительной оценки свойств упругих элементов было принято решение сопоставить характеристики резинотехнических изделий перед монтажом. Установлено, что практически все физико-механические показатели материала изделий, оговоренные стандартом, кроме твердости, нивелируются усилием затяжки крепежных элементов обоймы. Исследование твердости резинотехнических комплектующих проведено в соответствии со стандартной методикой определения твердости по Шору в соответствии с условиями испытания ГОСТ 263-75.
Для материала работоспособных деталей твердость по Шору составила
82 единицы с дисперсией S2 = 2,4 . Для образцов покупных деталей из резины степени твердости С твердость составила 50 единиц с дисперсией 52 = 4,9.
Заключение
Работоспособность рассматриваемой сборочной единицы определяется состоянием обоймы с упругими резинотехническими элементами. Жесткость и крутильные колебания несущей балки оказывают несущественное влияние на функциональные характеристики.
Комплектование сборочной единицы КСИЛ.273114.027 деталями внутризаводского изготовления обеспечивает жесткость конструкции, на 400-500 % большую, чем комплектование покупными изделиями. Нагрузочная кривая в этом случае свидетельствует о наличии значимого запаса по деформациям при нагрузке на нижнюю точку сошника до 150 Н. Это обеспечивает малую вероятность недопустимого смещения сошника относительно балки и отсутствие контакта металл-металл между несущей балкой и обоймой, охватывающей резиновые детали 4. Ключевую роль играет твердость по Шору упругих элементов. Дисперсия этого показателя, по требованиям стандарта, является недопустимой для обеспечения требуемых характеристик узла.
Анализ экспериментальных данных и конструкции сборочной единицы позволил разработать ряд мер для обеспечения функциональных характеристик рассматриваемого узла. Для обеспечения функциональных характеристик рассматриваемого узла рекомендовано:
1. Нормирование усилий крепления обоймы упругих элементов.
2. Введение методики контроля сборочной единицы при сборке с учетом определенной выше величины смещения.
3. Входной контроль твердости по Шору и селекция покупных деталей для обеспечения интервала параметра в пределах 75-80 единиц.
Таким образом, разработана методика выборочного контроля сборочной единицы, для чего определены критерии допустимых деформаций и отклонений сошника и обоснована необходимость изменений сборочной операции. Также результаты исследований позволили сформулировать технические требования к поставке деформируемых элементов и разработать новую резино-металлическую конструкцию собственно деформируемого элемента с возможностью регулирования несущей способности узла.
Список литературы
1. Назарьев А. В., Бочкарев П. Ю. Технологическое обеспечение изготовления высокоточных сборочных узлов авиационно-космической техники // Авиакосмические технологии : сб. тр. XVIII Междунар. науч.-техн. конф. и школы молодых ученых, аспирантов и студентов. Саратов, 2017. С. 325-332.
2. Зверовщиков А. Е., Машков А. Н. Экспериментальные исследования технологических процессов машиностроительных производств : учеб. пособие. Пенза : Приволжский Дом знаний, 2012. 156 с.
3. Зверовщиков А. Е., Миронычев Н. А., Понукалин А. В., Зверовщиков Е. А. Характеристики поверхности абразивного рабочего тела для моделирования объемной центробежно-планетарной обработки в САЕ системах // Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/ CAE/PDM : сб. ст. V Междунар. науч.-практ. конф. Пенза : Приволжский Дом знаний, 2011. С. 29-32.
1. Nazar'ev A.V., Bochkarev P.Yu. Technological support for the manufacture of high-precision assembly units of aerospace technology. Aviakosmicheskie tekhnologii: sb. tr. XVIII Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. i shkoly molodykh uchenykh, aspirantov i studen-tov = Aerospace technologies: proceedings of the 18th International scientific and engineering conference and school of young scientists, postgraduate students and students. Saratov, 2017:325-332. (In Russ.)
2. Zverovshchikov A.E., Mashkov A.N. Eksperimental'nye issledovaniya tekhnologiche-skikh protsessov mashinostroitel'nykh proizvodstv: ucheb. posobie = Experimental studies of technological processes of machine-building industries: textbook. Penza: Izd-vo Privolzhskiy Dom znaniy, 2012:156. (In Russ.)
3. Zverovshchikov A.E., Mironychev N.A., Ponukalin A.V., Zverovshchikov E.A. Characteristics of the surface of the abrasive working fluid for modeling volumetric centrifugal-planetary processing in CAE systems. Sistemy proektirovaniya, modelirovaniya, podgotovki proizvodstva i upravlenie proektami CAD/CAM/CAE/PDM: sb. st. V Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. = Systems for design, simulation, pre-production and CAD/CAM/CAE/PDM project management: proceedings of the 5th International scientific and practical conference. Penza: Izd-vo Privolzhskiy Dom znaniy, 2011:29-32. (In Russ.)
References
Информация об авторах I Information about the authors
Александр Евгеньевич Зверовщиков доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой технологий и оборудования машиностроения, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: azwer@ mail.ru
Aleksandr E. Zverovshchikov Doctor of engineering sciences, associate professor, head of the sub-department of technologies and equipment of mechanical engineering, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Роман Дмитриевич Михеев студент, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
Roman D. Mikheev
Student, Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
E-mail: romanmixxx@mail.ru
Дмитрий Владимирович Артамонов доктор технических наук, профессор, первый проректор, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: dmitrartamon@yandex.ru
Dmitriy V. Artamonov Doctor of engineering sciences, professor, First Vice-Rector, Penza State University, (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Поступила в редакцию / Received 20.04.2022
Поступила после рецензирования и доработки / Revised 16.05.2022 Принята к публикации / Accepted 25.05.2022
