CC BY
65
УДК 621.9.004.12
Б.И. Коган, С.А. Васильков
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА УЗЛА ВСТРОЙКИ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА
Современные тензометрические платформенные, автомобильные, железнодорожные весы снабжаются узлами встройки датчиков силы с номинальной нагрузкой от 10 до 100 т. Узлы встройки определяют качество взвешивания грузов на технологических линиях и надежность грузоприемных устройств для взвешивания путем ориентации и фиксации тензометрических само-устанавливающихся датчиков веса С16А и их аналогов. На рис. 1 показана типовая конструкция узла встройки, применяемого «Инженерным центром АСИ» (г. Кемерово), с датчиком веса.
Верхняя часть узла крепится на весовой плат-
форме, а нижняя - на основании весов или закладной детали фундамента. При необходимости узел дополняется устройством ограничения горизонтальных перемещений весов.
Основные задачи узла встройки: достоверная передача нагрузки от платформы на тензометри-ческий датчик; удержание датчика от опрокидывания; удержание датчика от проворота; обеспечение регулировки весов по высоте после их монтажа при неточном изготовлении фундамента; обеспечение вертикального положения датчика специальным приспособлением; обеспечение легкой замены датчика без разбора узла; обеспечение
защиты рабочих поверхностей узла от загрязнений и попадания влаги; защита датчика от прохождения предельно допустимого тока электрическим шунтом.
Рабочей поверхностью датчика является торец пяты нажимной (поз. 16, рис. 1) в виде сферы радиусом 110-220 мм в зависимости от номинальной нагрузки.
Для обеспечения метрологической характеристики датчика необходимо, чтобы нагрузка передавалась в центр сферы, а площадь приложения нагрузки была минимальной. Допустимый угол наклона датчика не должен превышать 3о. Смещение верхней и нижней точек приложения нагрузки от вертикальной оси датчика не должно превышать 13 мм. Номинальная деформация датчика при номинальной нагрузке находится в пределах
0,55- 1,57 мм. Рабочий температурный диапазон датчика -50°...+70°. Предельно допустимая нагрузка составляет 150% от номинала. Разрушающая нагрузка - 300%. Допустимая динамическая нагрузка (амплитуда колебаний согласно DIN 50 100) - 70% от номинальной. Вес датчика 1,9 - 8,0
вибрации. Фланец (поз. 7), фланец нижний *поз. 13), фланец верхний (поз. 5), эксцентрики (поз. 12)и их крепежные болты воспринимают боковые сдавливающие нагрузки, тем самым удерживая стакан (поз. 14), на который крепится непосредственно сам датчик (поз. 11). Защиту от коррозии обеспечивает цинковое покрытие. Рабочие поверхности имеют шероховатость Яа=0.8, а базовые поверхности - Яа=6,3.
Фланец верхний (поз. 5) предназначен для крепления узла встройки к платформе весов. При помощи регулировочной шайбы (поз. 6) производится регулировка узла встройки по высоте при монтаже весов. Фланец нижний (поз. 13) предназначен для крепления узла встройки к основанию весов. Эксцентрики с болтами и шайбами (поз. 12, 9, 8) предназначены для регулировки узла встройки, обеспечения вертикального положения датчика и удержания стакана (поз. 14) в рабочем положении. Основная причина отказов - разрушение деталей (14) и (16) из-за превышения предела усталостных напряжений, превышения предельных нагрузок, превышения динамических нагру-
Рис. 2. Динамическая система узла встройки в состоянии опоры: т] и т2 - массы пассивных элементов (верхний и нижний фланцы, поз. 5 и 13 на рис. ]); г и к] - сопротивление и упругость датчика силы, поз. 13 на рис. ]; к2 - упругость нижнего фланца, поз. 13 на рис. 1; О¡(0 - внешняя сила, действующая на массу т 1 (а); механическая цепь (б), активный элемент.
кг в зависимости от его номинальной нагрузки. Твердость рабочей сферы датчика не менее 42-45 ИЯС, аналогично - рабочих поверхностей элементов узла встройки.
С учетом динамических нагрузок, компоненты узла, передающие нагрузку, должны иметь ударную вязкость не менее 780 кДж/м2. Рабочие поверхности должны быть защищены от коррозии и попадания инородных тел. Самые нагруженные компоненты узла, - детали «стакан» (поз. 14 на рис. 1) и «пята нажимная» (поз. 16 на рис. 1) изготовлены из стали 38Х2Н2МА ГОСТ 4543-71. Их основная задача воспринимать осевую вертикальную нагрузку с минимальной площадью рабочей поверхности (так как датчик имеет рабочую поверхность в форме сферы), исходящую со стороны датчика. Они подвержены как многократным динамическим и ударным нагрузкам, так и сильной
зок, наличия зазоров внутри узла встройки при просадках, ослабления крепежа.
Средний срок службы весов составляет 10 лет, срок службы датчика - до 20 млн нагружений, срок службы узла определяется нагруженно-стью весов. Детали (14) и (16) определяют надежность конструкции.
На рис. 21 представлена динамическая система узла встройки с датчиком силы в механическую цепь [1],.
Массы Ш! и т2 соединены между собой упру-
1 Механическая цепь - это совокупность активных
и пассивных элементов, составляющих динамическую систему и условно связанных между собой линиями влияния сил и скоростей, возникающих в результате внешнего воздействия.
гостью к! и подвижной платформой упругости к2; кроме того масса т1 с платформой соединена сопротивлением г. В механической цепи массы т1 и т2, сопротивление г и упругость к2 будут находится в последовательном соединении, а упругость к1 находится в параллельном соединении по отношению к источнику скорости и включается между массами.
Механические цепи позволяют идентифицировать и оценить качественно силы и скорости в сопряжениях деталей машин, массы элементов, их сопротивление, упругость, определяющие их отказы. При этом рассматриваются полные комплексные сопротивления (ИКС) системы и частные комплексные сопротивления (ЧКС) элементов системы.
Из [1] следует, что ЧКС элементов будут:
, (1)
Б2=- ,
Бэ=г1 ,
84=^-т2 , Б5=к2 М .
(2)
(3)
(4)
(5)
Звено Б23 , состоящее из двух параллельно соединенных элементов (рис. 2, б) будет иметь вид: §23= §2 + 83 (6) Звенья ^4 и находятся в последо-
вательном соединении и для них
(7)
Определяем ПКС всей цепи, учитывая, что элемент 3-. звенья $22. 34 и 35. находятся в параллельном соединении, (рис. 2, б):
(8)
круговая час-
В этих формулах ] = V — 1, ю тота, рад/с.
После подстановки значений ЧКС, найдем ИКС (Б). Подставив численное значение, получим ) .
Полная комплексная подвижность при последовательном соединении элементов (ПКП или Л) равна их сумме Л = Л1 +Л2+... =
Л =У/0 (9)
При параллельном соединении элементов ПКП, (Л) равна отношению произведений ЧКП отдельных элементов или элементов и звеньев или звеньев соединения к сумме ЧКП этих отдельных элементов.
Л= л1+л2 Для п элементов
(11)
Таблица 1. Классификация модулей поверхностей
Б (базирующие)
Б11 Плоские внутренние поверхности Б312 Две плоскости и цилиндрическая наружная поверхность
Б12 Плоские наружные поверхности Б321 Две цилиндрические внутренние поверхности и плоскость
Б211 Резьбовая цилиндрическая внутренняя поверхность и плоскость Б322 Две цилиндрические наружные поверхности и плоскость
Б212 Резьбовая цилиндрическая наружная поверхность и плоскость Б41 Коническая внутренняя поверхность и плоскость
Б221 Резьбовая коническая внутренняя поверхность и плоскость Б42 Коническая наружная поверхность и плоскость
Б222 Резьбовая коническая наружная поверхность и плоскость Б51 Внутренние поверхности
Б311 Две плоскости и цилиндрическая внутренняя поверхность Б52 Наружные поверхности
Р (рабочие)
Р111 Плоские внутренние поверхности Р122 Наружные поверхности вращения
Р112 Плоские наружные поверхности Р21 Внутренние поверхности
Р121 Внутренние поверхности вращения Р22 Наружные поверхности
С (связующие)
С111 Плоские внутренние поверхности С122 Наружные поверхности вращения
С112 Плоские наружные поверхности С21 Внутренние поверхности
С121 Внутренние поверхности вращения С22 Наружные поверхности
- = —+ —+
Л Лх
(12)
■ля_лв^1
(13)
Определив характер и величины подвижностей Л вдоль и вокруг трех осей координат в модулях соединений можно предопределить характер и время отказа, выбрать и реализовать пути увеличения надежности элементов модулей соединений, выбрать или синтезировать технологический ремонтный блок [5].
Модульное представление узла встройки как объекта производства в виде структурированного
множества модулей поверхностей (МП) и модулей соединения (МС) создает научные основы для технологического обеспечения качества [2].
Модульный принцип - особенность построения технологических систем, заключающаяся в подчинении их размеров проектному модулю или модулям и в обеспечении возможности комплектования разнообразных сложных нестандартных технических систем с большим различием характеристик из небольшого, экономически обоснованного количества типов и типоразмеров одинаковых первичных (типовых или стандартных) общих элемент-модулей. Ограниченность номенклатуры модулей поверхностей (всего 26 наименований, табл. 1.) и модулей соединений открывает возможности создания единой элементной базы на
Рис. 3. Чертежи деталей Пята нажимная (а) и Стакан (б) в модульном исполнении; материал:
Сталь 38Х2Н2МА ГОСТ 4543-71
МП
п
I—■
Д11
[МС2
дю
С2
МС 7
и 16 ||
МС4 1
Д15
МС1
Д6
ди
__л Р--
ж.
г 114
Д и -
Д12
1Ш
Дв
ма
Д9
МП
С5
Д7
ма
Д5
Д8
\МС4
Д9 ;
МП
МС2
си
—I
Д1
МС1
Д2
МП
ДЗ
I ми
дь :
МС2
ь______________,_|
Рис. 4 Граф деталей узла встройки: Д1, Д2, ... Д16 - детали изделия (соответствующие номерам позиций на рис. 1); С1, С2, С3, С4, С5 - сборочные единицы
модульном уровня для всего производства.
Внедрение модульного принципа в производство начинается с модульного построения изделия.
Представим детали, испытывающие наибольшие нагрузки, пяту нажимную (а) и стакан (б), в виде совокупности модулей поверхностей, рис. 3.
Однако, описание деталей в виде совокупности модулей поверхностей не дает представления о взаимноположении деталей в пространстве.
Чтобы можно было определить характер соединений модулей поверхности представим узел встройки в виде модулей соединений, рис. 4.
Данный вид позволяет использовать типовые соединения, рассматриваемые в теории взаимозаменяемости модулей соединения (табл. 2).
Одним из путей увеличения долговечности деталей машин, работающих в условиях ударноусталостного износа, в процессах производства и ремонта машин является применение комбинированных электротехнологических методов. Тре-
буемое сочетание воздействий, обеспечивающих необходимую долговечность деталей, в общем виде выражают уравнением:
.V .V'
где § - вектор-функция, описывающая распределение показателей качества поверхностного слоя при конкретном или комбинированном воздействии;
Я и р - обобщенные микро- и макрогеометрии поверхностного слоя;
ст - обобщенный показатель напряженности поверхностного слоя;
а - показатель, характеризующий обобщенные, металлофизические особенности сформированных поверхностных зон;
у - показатель связи поверхностного слоя и основы материала детали.
Алгоритм расчета электротехнологических методов на основе вектора внешнего воздействия представлен на рис. 5.
Таблица 2. Классификация модулей соединения деталей
МС1 Плоские шпоночные и шлицевые соединения МС5 Соединение двух внутренних цилиндрических отверстий с наружными
МС2 Резьбовые цилиндрические соединения МС6 Коническое гладкое соединение
МС3 Резьбовые конические соединения МС7 Сферическое соединение
МС4 Цилиндрическое гладкое соединение
Рис. 5. Алгоритм расчета комбинированного электротехнологического метода
В основу алгоритма положен итерационный процесс изменения вектора § внешнего воздействия, соответствующего определенному вектору параметров поверхностного слоя § (химический состав, микро- и макрорельеф, субструктура и др.) Отдельные элементы содержат системы дифференциальных уравнений, аппроксимации экспериментальных зависимостей, блоков логических функций.
Рассмотрим работу алгоритма (рис. 5).
Блок 1 исходных данных. Исходя из заданных условий работы деталей производится выбор материала, задается начальное значение вектора внешнего воздействия к с использованием априорных данных.
Блок 2 модели твердого тела содержит систему уравнений, описывающих изменение параметров поверхностного слоя некоторым вектором § . Блок имеет четыре подсистемы: систему зависимостей, описывающих процесс фазовых превращений; систему уравнений, описывающих тепло-перенос; систему уравнений, описывающую напряженное состояние, и систему массопереноса, описывающую изменение геометрии поверхности.
Блок 3 является промежуточным выходных параметров поверхностного слоя, заданных вектором §.
Блок 4 модели обобщенного нагружения описывает закономерности изменения долговечности деталей в условиях реальной картины усталостного износа.
Блок 5 содержит выходные параметры Ъ работоспособности, величину износа, число циклов до разрушения образца.
Блоки 6 и 12 осуществляют сопоставление полученных и требуемых эксплуатационных характеристик с использованием вектора к . При невыполнении этого условия происходит изменение значений вектора к .
В блоке 7 производится разложение вектора к На составные векторы, пространственно -временно разделенные в конкретных методах, что
осуществляется посредством таблицы идентификации во всех рассматриваемых методах.
Блок 8 осуществляет перевод каждого составляющего вектора к 1 в параметры конкретного технологического метода с учетом полезной энергии и потерь в системе.
Блок 9 изменяет вектор внешнего воздействия к с помощью градиентного метода при меньших значениях эксплуатационных характеристик.
Блок 10 связывает выходные параметры поверхностного слоя § с вектором внешнего воздействия к . Посредством линеаризации и упрощений эта зависимость сводится к аналитической с набором экспериментально или теоретически полученных коэффициентов.
Блок 11 аналогично блоку 10 формирует аналитическим путем взаимосвязь поверхностного
слоя £ с вектором что позволяет в процессе теоретических расчетов непрерывно уточнять приближенные зависимости критериев нагружения и упрочнения, и использовать их в разработке операций упрочнения.
В блоках 13 и 14 при расчетах применяются значения параметров твердого тела, генерируемых с помощью датчиков случайных чисел и соответствующих законов распределения.
Решение задачи о целенаправленном формировании поверхностных свойств сталей под влиянием внешних воздействий производится посредством рассмотрения и описания взаимодействия твердого тела с потоками носителя воздействий, формализуемых вектором состояния. В это математическое описание входит ряд математических моделей, связывающих параметры вектора состояния с изменением качественных характеристик поверхностного слоя деталей, как при решении тепловой задачи, так и при описании упругопластического деформирования твердого тела -заготовки. В частности, рассмотрение тепловой задачи с использованием методов лазерного и эрозийного упрочнения приводит к анализу динамики фазовых превращения в условиях действия
мощного потоков энергии, обеспечивая оформление конкретных критериев: шага дорожек перекрытия и фазовых превращений. Эти зависимости являются составной частью блока 2 (рис. 5).
Упругопластическая задача деформирования заготовки, а следовательно, динамика распределения остаточных напряжений определяется с учетом условий нагружения рассматриваемого объекта V и описывается обобщенными уравнениями
износа с учетом ударно-усталостного нагружения при высокой температуре, наличия агрессивных газов и жидкостей.
Такой подход позволяет создать ряд комбинаций электротехнологических методов (электро-эрозионный, электрохимический, лазерный, ионно-плазменный, электронно-лучевой и т. п.) в сочетании с традиционными способами упрочнения (поверхностно-пластическое деформирование,
гальваническое хромирование, химико-
термическое диффузионное нанесение покрытий и др.). Применение единого энергетического подхода с использованием обобщенного вектора состояния позволяет прогнозировать оптимальные
сочетания внешних воздействий, и на их основе создавать параллельно-последовательные комбинированные электротехнологические методы, обеспечивающие увеличение конкретных эксплуатационных характеристик.
В результате теоретических исследований с использованием предоставленной блок-схемы, получены следующие сочетания электротехноло-гических методов:
дробеструйное упрочнение и электрохимическое полирование на импульсном и постоянном токе;
лазерное термоупрочнение в условиях сканирования луча на непрерывном СО2 лазере и ультразвуковое выглаживание;
чистовое электроэрозионное формообразование, гальваническое хромирование и ультразвуковое выглаживание;
электроискровое легирование и ультразвуковое выглаживание;
шлифование и дробеструйное упрочнение; шлифование и ультразвуковое упрочнение. Методика выбора рационального способа вос-
Уславня функционирования детали [нагрузка, скорость, температура « т. д.)
Технические условия на изделие
Установление эксплуатационных свойста деталей машин и их соединений и допусти МЫ!* пределов их изменения, определяющих надежность И ТОЧНОСТЬ узлов
и машины е целом
_ — — |— — — *
Зависимости или (табличные данные) эксплуатационных свойств деталей Наличие текнологическош
4 машин и соединении от условии их обработки и сборки — ь оборудования и оснастки на предприятии
г
I
п
Выбор возможный экономически целесообразный методов изготовления и восстановления деталей, их сборам с учетои конкретного производства, позволяющих обеспечить требуемые эксплуатационные свойства
Расчет условий обработки н оборки (для выбранных методов), обеспечивающих требуемые значения эксплутационнык свойств
Нет
[Эксплуатационные свойства обеспечиваются?'
Ж
Расчет себестоимости выбранных технологических методов для определенных условий обработки и сброки
I
1С
Выбор методов условий обработки и сборки, позволяющихобеспечить требуемые эксплуатационные свойства с наименьшей технологической себестоимостью
ЭВМ
Рис. 6. Структурная схема решения задачи обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин и их соединений
становления деталей основана на последовательном рассмотрении способов восстановления согласно трем критериям: применимости, долговечности и технико-экономической эффективности.
Критерий применимости или технологический критерий
Ет=
\ " I
где Мд - материал детали; Фд , Бд - форма и диаметр восстанавливаемой поверхности детали; Ид
- износ детали; Нд - величина и характер нагрузки восстанавливаемой детали; 2 (=1 ^ - совокупность технологических особенностей способа.
Рациональность способа восстановления деталей может определяться коэффициентом долговечности Кд, пропорциональным сроку службы деталей в условиях эксплуатации:
Кд=Ки Кв Кс
где Ки, Кв, Кс - коэффициенты соответственно износостойкости, выносливости и сцепляемости покрытия с основой.
Коэффициенты Ки, Кв определяют в результате испытаний на изнашивание и усталость. Для определения Кс , наиболее широкое применение получил метод отрыва штифта.
Окончательное решение о целесообразности применения выбранного способа принимают по критерию взаимосвязи стоимости восстановления детали Св с ее долговечностью
Св <Кд Сн
где Сн - стоимость новой детали.
Виды нагрузок на рис. 2 характеризуют взаимодействие поверхностей узла встройки и датчика силы (удар, скольжение, вибрация, коррозия).
На рис. 6 представлена структурная схема решения задачи обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин и их сопряжений.
Для повышения долговечности сферы пяты и опоры они могут быть изготовлены из твердого сплава ВК15. При изготовлении пяты датчика
можно рекомендовать определить границу скруг-ления сферической поверхности, например при электрохимической размерной обработкой для исключения прижогов и микротрещин при изготовлении. Эта задача решена сотрудниками КГУ (г. Казань) и НГТУ (г. Новосибирск) использованием теории функций комплексного переменного с привлечением гидродинамической интерпретации [4]. Удалось определить координаты точек границ скругления сферической части опоры при заданных геометрических параметрах.
Эффективным методом повышения надежности подвижных сопряжений являются АМТП -технологии (адресная модификация функциональных поверхностей по патентам Украины № 34768 МКН С10М 125/10 «Способ для обработки пар трения». // Александров С. М. и № 35512А МКН Б16С 33/14. Способ обработки поверхностей пар трения. // Агафонов А. К. [3]
Целесообразно использовать способ формирования информационной модели и синтеза технологического блока ТБ (комплекса методов и средств производства, технологически обеспечивающий качество объекта производства или ремонта) по патенту РФ № 2333088 для выбора технологических воздействий на функциональные поверхности пяты нажимной, поз. 16, и стакана, поз. 14, на рис. 1 с целью технологического обеспечения оптимальных параметров этих поверхностей (шероховатость, твердость и др.) [5].
Заключение
Повышение надежности узла встройки тен-зометрического датчика возможно выявлением характера взаимодействий и действующих сил в элементах узла встройки, построением и решением механических цепей; использованием твердого сплава вместо стали в контактирующих элементах; оптимизацией, при изготовлении форм скруг-ления сферической части опоры; использованием АМТП - технологий; путем использования виртуальных информационных моделей при синтезе РБ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дружинский И. Механические цепи. - Л.: Машиностроение, 1977. - 240 с.
2. Базров Б. М. Модульная технология в машиностроении. - М.: Машиностроение, 2001. - 368 с.
3. Физика, химия и механика трибосистем. Межвузовский сборник научных трудов, вып. 3. - Иваново, НВГУ, 2003. - 70 с.
4. Клоков В. В., Красильников Б. А., Яннолтский В. В. Решение задачи скругления сферической части опоры пары трения при электрохимической размерной обработке. // Обработка металлов, 2010, № 1 [46], с. 9-13.
5. Патент РФ № 2333088, МПК, В23Р 6/00. Способ формирования технологического ремонтного блока. ГУ КузГТУ. Коган Б. И., Черныш А. П. Опубл. В Б. Н., 2008, № 25.
□ Авторы статьи:
Коган Васильков
Борис Исаевич Станислав Андреевич
- докт. техн. наук, проф. каф. технологии - студ. гр. МК-071 КузГТУ
машиностроения КузГТУ Тел. 8-906-988-42-62
Тел. 8-906-928-80-81
