Системный подход к конструкторско-технологическому обеспечению надежности машин и приборов

Секция механики

УДК 621.91+658.923.74

В.И. Бутенко, А.Д. Захарченко, В.И. Косов, В.В. Шульгиной

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ МАШИН

И ПРИБОРОВ

При разработке системного подхода к обеспечению надежности изделий в машино- и приборостроении необходимо найти взаимосвязь между конструкторскими, технологическими, экономическими, эксплуатационными и эргономическими факторами, определяющими конкурентоспособность изделия. В этом отношении важно установить влияние функционально-стоимостного анализа указанных факторов на обеспечение надежности изделия. Решение этой задачи чрезвычайно сложно и многовариантно, что требует их оптимизации.

Обычно системный подход к обеспечению надежности изделий в машино- и приборостроении увязывают с оптимизацией лишь конструкторских и технологических факторов, проводя их функциональностоимостный анализ, включающий две процедуры: функциональностоимостную диагностику процесса; поиск и выбор оптимального варианта конструкции или технологического процесса, исходя из целей анализа.

При выполнении функционально-стоимостного анализа конструкторских и технологических решений необходимо предусмотреть следующие этапы: подготовительный, аналитический, творческий, исследовательский, рекомендательный, внедрения.

Подготовительный этап предполагает определение объекта анализа, постановку целей и задач функционально-стоимостного анализа возможных конструкторских и технологических решений при создании изделий в машино- и приборостроении. Обычно функциональностоимостный анализ начинают с процессов, имеющих наиболее высокую долю суммарных затрат в себестоимости изделия. Затем следует подвергать анализу наиболее материальные и энергоемкие процессы, при выполнении которых возможно появление брака, процессы, имеющие относительно длительный производственный цикл отдельных деталей, узлов и механизмов, далее процессы, при выполнении которых используется дорогостоящее оборудование, оснастка, инструмент, а также процессы с высоким уровнем ручного труда.

Информационный этап предусматривает получение технической и экономической информации об объекте анализа в соответствии с перечнем необходимой информации. На этом этапе предварительно изучают все конструкторские и технологические материалы, на основании которых строится структурно-элементная модель изготовления изделия в машино- и приборостроении.

Аналитический этап включает разработку функциональной модели по каждому процессу проектирования, изготовления и эксплуатации изделия отдельно. Например, при разработке функциональной модели технологического процесса находят функциональное выражение каждой технологической операции, учитывая, что операция может иметь несколько функций, и наоборот одна функция может обеспечиваться несколькими операциями. •

Творческий этап включает решение всех задач проектирования и изготовления изделия и подготовку предложений, направленных на оптимизацию технико-экономических показателей создаваемого изделия и его надежности.

Исследовательский этап предусматривает предварительный отбор двух-трех наиболее предпочтительных предложений, полученных на творческом этапе для решения конкретной задачи проектирования или изготовления изделия в машино- и приборостроении. Обычно отбор производится экспертным путем с учетом следующих критериев: ожидание снижения технологической себестоимости, сложности внедрения, обусловленной затратами на внедрение, дефицитность материалов, наличием необходимого оборудования, производственных площадей и т.д. Итогом этого этапа работы обычно являются конкретные предложения по составлению технологических или эксплуатационных процессов.

В качестве примера системного подхода к конструкторско-технологическому обеспечению надежности машин и приборов рассмотрено влияние конструктивных особенностей волновой передачи на усталостную прочность гибкого зубчатого колеса. Известно, что принцип работы волновой передачи предусматривает волновое (циклическое) деформирование гибкого колеса генератором волн определенного типа с частотой, равной частоте вращения входного вала. Кроме того, конструктивные параметры и форма гибкого элемента определяют повышенную чувствительность колеса к эффекту усталости и разрушению.

Существует множество различных форм гибкого колеса, которые определяются, в основном, функциональным назначением передачи и передаваемой нагрузкой. Чаще всего гибкое колесо выполняют в виде стакана с гибким дном и фланцем для присоединения к выходному валу (исполнение I). а также в виде цилиндра с зубчатым (шлицевым) присоединением к валу (исполнение II). Как показали исследования, при жестком (исполнение III) соединении цилиндра с валом уровень напряжений в гибком элементе значительно возрастает, увеличивается его изгибная жесткость и связанная с ней нагрузка на элементы генератора. Такая конструкция нежелательна и применяется редко.

Основными факторами, определяющими усталостную прочность гибкого колеса, являются напряжения изгиба, материал колеса, концентрация напряжений, качество поверхности и масштабный фактор.

Исследованиями установлено, что для тяжело нагруженных передач следует применять конструкционные стали повышенной вязкости, например, 38ХМЮА, 40ХНМА; для средненагруженных - стали ЗОХМА, ЗОХГСА. Сталь ЗОХГСА принята как основная для отечественных волновых редукторов общего назначения.

Термообработка (улучшение), наклеп или азотирование позволяют повысить предел выносливости зубчатого колеса в 1,1...1,4 раза. Под действием внешней нагрузки и деформации генератора волн в гибком колесе возникают напряжения изгиба и кручения. Последние оказывают ма-

лое влияние на сопротивление усталости, поэтому расчет прочности колеса выполняют только по нормальным напряжениям.

Запас сопротивления усталости гибкого колеса рассчитывают по зависимости

п„пг

п =

мм,

Обычно принимают

____________

Ка сга + у/а стт ' "г Кг та

сг_, г

где п„ = —------------1-----------; пх =----------------•

„ =7М^>к];

п_ =

К-а-°а+'1'а °п

Т

п, = -

К' Та

<т_, *(0,4-0,5)-о-,; г_, «(0,2 - 0,3) • <тв;

К о = 1,8 —2,0;

= 0,7 - 0,8; у/а = 0,05.

В этих формулах не учитывается масштабный фактор и качество обработки зубчатого венца как основного концентратора напряжений. Причина этого в том, что недостаточно теоретических и экспериментальных исследований по этим факторам, а диаметральные размеры гибкого элемента могут достигать значительной величины - до 800мм. Поэтому нельзя не учитывать повышение чувствительности материала к усталостному разрушению.

Концентратором напряжений в гибком колесе являются зубья, переход зубчатого венца в цилиндр, место соединения гибкого элемента с ведомым валом (шлицевое, болтовое или др.). Поэтому выбор правильных конструктивных решений, параметров и частоты обработки элементов колеса - важнейший способ повышения усталостной прочности.

Другим примером системного подхода к конструкторско-технологическому обеспечению надежности изделий машиностроения является расчет тонкостенного стержня П-образного профиля (стесненное кручение), так как такие расчеты часто встречаются в самолетостроении.

Рассмотрим расчет тонкостенного открытого профиля. На него действует равномерно распределенная нагрузка интенсивностью

(/ = Р11, где / - длина стержня, расположенного в плоскости, находящейся на расстоянии а.

При кручении (изгибе) в профиле возникают напряжения, равные

М В  и

ф _______а + » шдх

тах гу / ’

у и-

где Му - максимальный изгибающий момент от распределенной нагрузки;

Ж,, момент сопротивления изгибу относительно нейтральной оси;

- изгибно-крутящий бимомент;

/и - секториальный момент инерции;

ТПШ11Х максимальная секториальная площадь.

Секториальный момент инерции П-образного профиля составит

Ь* И2 б 2А + 3ь го " 12 + ЬЬ + И ’

а изгибно-крутильная характеристика стержня будет равна

.=

•/.

где EyG - модули упругости первого и второго рода;

J ^ момент инерции сечения при кручении.

!к = 1,12/3(2Л + /?)б‘\

Максимальные выражения для силовых факторов изгибно-крутящего бимомента Вк соответственно принятой схемы нагружения стержня могут иметь следующее значение:

в.=К( i—

а cha.-2

где a = av +b + c (рис. 2,в).

Представленный расчет дает возможность получить прочную конструкцию при значительном снижении ее веса.

В технологическом плане обеспечение надежности изделий может быть достигнуто применением эффективных способов обработки деталей: абразивной доводки поверхностей текстолитовыми притирами, термоупрочняющей обработки материалов в магнитном поле, применения комбинированных инструментов и т.д. Особую роль здесь играет учет процесса избирательного переноса в трибосопряжениях, что во многом обусловливает надежность изделия в процессе эксплуатации.

УДК 534.222

Н.П. Заграй, О.М. Ковалев

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ГАРМОНИК В СИГНАЛЕ ВРЧ В СРЕДЕ С КВАДРАТИЧНОЙ И КУБИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТЯМИ

Целью эксперимента было определение характерных особенностей генерации гармоник более высокого порядка, например, второго и третьего, в простой акустической волне повышенной интенсивности, распространяющейся в среде с квадратичной и кубической нелинейностями. В эксперименте использована исследовательская установка, которая работала в режиме «акустического детектирования». При таком режиме поле ВРЧ было информационным носителем, сообщающем о всех изменениях в акустическом поле излучающего преобразователя. Частота сигнала, образующегося в результате параметрического взаимодействия первичных волн накачки Г-, равнялась 32 кГц.

Были проведены измерения амплитуды 1, 2 и 3 гармоник в сигнале ВРЧ в зависимости от амплитуды электрического сигнала на излучателе на разных расстояниях от его поверхности. Считалось, что увеличение амплитуды электрического сигнала приводило к пропорциональным изменениям амплитуды акустического давления как в волнах накачки, так и в сигнале ВРЧ. При проведении измерений было отмечено, что разброс мощностей накачки приводил к нестабильности процесса генерации ВРЧ для разных исходных уровней взаимодействующих волн. Нестабильная генерация отмечена для высших гармоник при малых звуковых давлениях в сигнале накачки.

Анализ полученных зависимостей показал, что динамика формирования амплитудных зависимостей для 2-й и 3-й гармоник, начиная с последнего минимума, приходящегося на точку акустического поля ВРЧ,

расположенную на расстоянии —0.31с1, соответствовала теоретическим кривым, описанным в предыдущих работах. Существование обратной зависимости амплитуды высших гармоник в ВРЧ от амплитуды волн накачки подтверждается экспериментальными результатами. Усложнение перераспределения акустической энергии между низшими и более высокочастотными гармониками привело к изменению амплитудных зависимостей от уровня акустического давления в волнах накачки. Отмечено, что с ростом исходного сигнала накачки наблюдался дрейф максимума функциональной зависимости высших гармоник, что указывало на более раннюю генерацию их в поле ВРЧ. Преобладание нелинейности второго и третьего порядков над диссипативными эффектами приводило к сокращению величины Хр.