Технологические методы обеспечения качества и прогнозирования долговечности деталей машин первичной обработки хлопка

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. Современное машиностроение играет ведущую роль в научно-техническом прогрессе и является базой для успешного развития всех отраслей промышленности и сельского хозяйства. Президентом Республики Узбекистан Исламом Каримовым было отмечено, что по-прежнему в машиностроении важнейшим направлением отраслевой специализации должно оставаться развитие сельскохозяйственного машиностроения, базирующегося на производстве машин и механизмов для хлопкового комплекса республики: «... Хлопок для Узбекистана - это политическая и экономическая мощь, гарантирующая независимость республики».1 В соответствии с Постановлением Кабинета Министров Республики Узбекистан от 3 апреля 2007 года №70 «О программе модернизации и реконструкции хлопкоочистительных предприятий в период 2007-2011 гг.» перед хлопкоочистительной промышленностью в современных условиях рыночной экономики стоит задача обеспечения конкурентоспособности выпускаемой продукции на мировом уровне. Важнейшая составляющая в решении данной проблемы принадлежит технологическому оборудованию -машинам первичной обработки хлопка (очистители крупного сора, джины, линтера, волокноочиститсли), работоспособность которых в значительной степени определяется долговечностью самой массовой и ответственной детали их рабочего органа - пильного диска, а также колосников. Технологические методы повышения долговечности деталей являются наиболее эффективными для решения задачи обеспечения эксплуатационной надежности машин. Они позволяют формировать оптимальное (для данных условий эксплуатации) состояние поверхностного слоя деталей, который в условиях эксплуатации подвергается наиболее интенсивному механическому, тепловому, химическому и другим воздействиям. Поэтому потеря деталью своего служебного назначения и ее разрушение в большинстве случаев начинается в поверхностном слое, например, возникновение и развитие усталостных трещин, износа, коррозии и др. Зубья пильных дисков в процессе эксплуатации испытывают переменные напряжения при значительном числе циклов нагружения, например, при частоте вращения пильного цилиндра п=730 об/мин уже в течении 48 часов количество циклов составляет более 2,1 106. Такие условия нагружения зубьев при контакте с переменной по массе и плотностью сырцового валика способствуют развитию в них усталостных трещин, пластическому сдвигу и смятию, а наличие в хлопке-сырце твердых включений (гранит, корунд, известняк) вызывает абразивный износ. Высокую износостойкость должны иметь также колосники, составляющие одноименную решетку в джинах и линтерах. В соответствии с техническим регламентом время эксплуатации и последующая полная замена пильных дисков на рабочем валу составляет в зависимости от сорта перерабатываемого хлопка-сырца 72 - 96 часов для джинных иил, 48 часов - для линтерных иил. С учетом того, что реновация (восстановление) пильных дисков осуществляется пересеканием (джинные пилы 2, линтерные 5 раз) их на новый размер, а также их количества, например, в джинах от 90 до 130 в зависимости от модификации, суммарная потребность пильных дисков для 98 хлопкоочистительных заводов республики исчисляется более 1 млн.штук за один хлопкоуборочный сезон. Положение усугубляется еще и тем, что дорогостоящая углеродистая инструментальная сталь У8Г полностью поставляется из Российской Федерации. Сокращение импорта этого материала за счет резкого увеличения долговечности пильных дисков, безусловно, повысит экономическую эффективность хлопкопереработки из-за снижения себестоимости выпускаемой продукции - хлопкового волокна. Даже накопленный большой опыт в разработке новых способов повышения надежности деталей оказался невостребованным в должной мерс применительно к пильными дискам и для ответственных деталей хлонкопсрсрабатывающих машин исследования проводились крайне недостаточно. Такие обстоятельства делают необходимым и очень важным выбор из большого арсенала современных средств упрочнения оптимальный вид для данного конкретного случая. Известные в настоящее время методы упрочнения зубьев пильных дисков (электроконтактный нагрев и лазерная обработка) нс решают в полной мерс проблему повышения их долговечности, так как в результате мощного теплового воздействия на вершину зуба происходит объемная закалка и проявляется эффект термоунрочнения. Объемная закалка нс сохраняет сердцевину деталей вязкой и она является нежелательной при действии повторно-переменных нагрузок при изгибе из-за снижения работоспособности и сопротивляемости усталостному разрушению в эксплуатационных условиях. Наиболее прогрессивным и эффективным методом упрочнения является поверхностное пластическое деформирование (ППД), в частности, дробеударная обработка, относящаяся к динамическим методам ППД деталей машин. Технологические возможности дробеударного упрочнения распространяются в первую очередь для маложестких тонких деталей, отличающихся наличием острых кромок. Этим конструктивным признакам полностью соответствуют зубья пильных дисков, что послужило основанием для нового научно-технического решения с целью увеличения работоспособности хлопкоперерабатывающих машин. Данное решение предусматривает разработку новых научных подходов в теории и практике технологического обеспечения качества и возможность прогнозирования долговечности деталей но состоянию их поверхностного слоя после упрочняющей механической обработки. Целью исследования является разработка технологических методов повышения работоспособности хлопкоисрсрабатывающих машин путем обеспечения грсбуемого качества поверхностного слоя деталей рабочих органов и прогнозирование их долговечности в эксплуатационных условиях. Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем: разработана структурно-энергетическая модель формирования и алгоритм расчета технологических остаточных напряжений при поверхностном деформационном упрочнении деталей машин первичной обработки хлопка, основывающиеся на современной концепции физики пластической деформации металла; разработан метод поверхностного динамического упрочнения дробью зубьев пильных дисков хлопкоперерабатывающих машин (патент на полезную модель «Дробеметная установка для упрочнения деталей» № FAP 00513, 31.12.2009); установлены на основе экспериментальных исследований оптимальные технологические параметры дробеметной обработки зубьев пильных дисков; аналитически решена задача по определению коэффициента восстановления скорости к при ударе, используемого для термодинамического анализа контактного взаимодействия твердых тел в процессах динамического упрочнения; предложен метод оценки глубины деформационного упрочнения (наклепа) при дробеметной обработке зубьев пильных дисков джинов, базирующийся на дифференциальном уравнении движения твердой сферической частицы в упруго-пластической среде; разработан механизм формирования высотного параметра шероховатости упрочненной поверхности при ударной деформационной обработке дробью джинных пил; разработаны методы расчета на многоцикловую усталость и прогнозирования долговечности пильных дисков в эксплуатационных условиях, основывающиеся на аналитическом решении задачи по определению интенсивности остаточных напряжений. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Разработана структурно-энергетическая модель формирования и алгоритм расчета технологических остаточных напряжений о0ст в поверхностном слое деталей рабочих органов машин после механической обработки. 2. Установлена взаимосвязь технологических остаточных напряжений Пост с уровнем запасенной (скрытой) энергии Us деформаций, которую можно определить по одному из трех разработанных методов: на базе первого закона термодинамики; на основе дислокационных представлений и соответствующих энергетических соотношений (теории дислокаций); с помощью схематизированных диаграмм деформирования Oi=f(8j) конструкционных материалов. 3. Аналитически определен важнейший параметр контактного взаимодействия при ударе твердых тел - коэффициент восстановления скорости к при ударе на базе схематизации контакта дроби с обрабатываемым материалом: одноактное соударение жесткой сферической твердой частицы со средней скоростью потока Во иод прямым углом а=90° с упругим полупространством (деформируемым телом, считая его однородным и изотропным). 4. На базе структурно-энергетической модели получены соотношения, позволяющие определить удельную запасенную энергию Us, равную изменению внутренней энергии AU поверхностною слоя, и определяемую но одному из трех разработанных методов: термодинамический, дислокационный и метод диаграммы деформирования обрабатываемого материала. 5. В работе получены основные соотношения для скрытой энергии деформации Us на базе термодинамического анализа энергетического баланса при деформировании срезаемого слоя лезвийным инструментом и статическими методами ППД (обкатка шарикам и алмазное выглаживание). Разработаны методы расчета скрытой энергии деформирования при резании материалов с различными физико-механическими свойствами и на основе схематизированных диа! рамм деформирования конструкционных материалов. 6. Разработан алгоритм расчета технологических остаточных напряжений но структурно-энергетической модели при дробеметном упрочнении деталей машин. Теоретические значения остаточных напряжений, рассчитанных но СЭМ на базе первого закона термодинамики (су, ост=1095 Н/мм") и теории дислокаций (oiocr=1061 Н/мм") находятся в хорошей сопоставимости с данными экспериментальных исследований (cyioCT=l 080 Н/мм"), т.к. отличие приведенных данных составляет соответственно 1,4 и -1,7 %, то это является надежным обоснованием для использования теоретических значений остаточных напряжений в прогнозной оценке долговечности и усталостной прочности деталей машин. 7. Впервые обосновано, что для остаточного поля напряжений выполняется первый инвариант тензора напряжений, являющийся линейным, т.с. располагая значениями осевых ох ост и тангенциальных суу ост остаточных напряжений и их интенсивностью су, ост, можно рассчитать главные остаточные напряжения СУ| ОСт и п2 ост- Эти напряжения используются при расчете на прочность в условиях статического и циклического нагружениях. 8. Выполнена оценка влияния технологических остаточных напряжений на прочность (несущую способность) конструкций при многоцикловом нагружении и разработан алгоритм расчета на многоцикловую усталость и ресурс работы пильных дисков хлонкоисрсрабатывающих машин. Расчет усталостной прочности произведен с помощью теоретического решения задачи формирования технологических остаточных напряжений при плоском напряженном состоянии. 9. Из уравнения движения абсолютно жесткой сферы (шарика) в обрабатываемой среде (полубесконечное твердое тело) при допущении о постоянстве среднего давления сопротивления внедрению или среднего давления течения (предела текучести от) получена формула для теоретического определения глубины наклепа hH. Достоверность расчетных значений hH подтверждена также экспериментальными данными других исследователей. Получены основные закономерности влияния параметров дробеметной обработки зубьев пильных дисков на глубину и степень деформационного упрочнения. Определены оптимальные режимы обработки: скорость дроби d=30m/c; диаметр дроби d=0,6 мм; время обработки t=4 мин. Этот режим обеспечивает глубину наклепа hH до 0,23 мм с максимальной поверхностной микротвердостью Ни=4560 МПа и степенью наклепа U=33,4 %. 10. Получено удовлетворительное для практическою использования совпадение (8... 12%) экспериментальных в условиях производства и теоретических значений долговечности пильных дисков с упрочненными зубьями. Производственные испытания подтвердили высокую эффективность джинных пил с упрочненными дробеударной обработкой зубьями. Испытания проведены при переработке хлопка-сырца ручного сбора сорта 5/3 селекции С-6524 влажности 13,1%. Увеличение долговечности (до двух и более раз) пильных дисков связано с повышенной поверхностной микротвердостью и сохранением вязкой сердцевины зубьев. Как свидетельствуют эксперименты, дробсударная обработка практически исключает операцию обработки пильного цилиндра в песочной ванне, т.к. под действием потока дроби сглаживаются заусенцы и образуются переходные поверхности с радиусом 0,2...0,3 мм между гранями зубьев. Установлено, что джинирование хлопка-сырца пильными дисками с упрочненными зубьями хорошо сохраняет качество волокна и хлопковых семян. Экономический эффект от внедрения в производство джинных пил на двух хлопкоочистительных заводах Ташкентского и Андижанского областей составил 80 992.3 тыс. сум.