Отклонения формы оболочки стабилизирующей секции геохода

А.В. Вальтер, доц., к.т.н., Р.В. Чернухин, доц., к.т.н., А.Н. Капустин, ст. преподаватель

Юргинский технологический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета

Отклонения формы оболочки стабилизирующей секции геохода

УДК 622.002.5

В статье приведены результаты исследования отклонений формы оболочки стабилизирующей секции опытного образца геохода. Кратко изложены конструктивные особенности корпусов и технология их изготовления. Исследования проводились на основе данных координатного контроля. Полученные данные исследовались статистическими методами и анализировались с точки зрения их соответствия ранее предложенным математическим моделям формирования неточностей оболочек геохода. В статье показано, что имеющиеся математические модели, основанные на исключительно геометрическом подходе, не могут исчерпывающим образом объяснить значительную часть возникающих погрешностей, связанную с проявлениями деформаций в результате сварки корпусов геохода. Ключевые слова: геоход, моделирование, контроль геометрической точности, координатно-измерительная машина, оболочка геохода, погрешность.

Введение

Геоход, как машина, обладающая конструктивной новизной, вызывает потребность в создании новых технологий производства её узлов и систем, обеспечивающих специфичные требования к их точности[1]. В число ответственных конструктивных элементов геохода входит оболочка - наружная поверхность корпусов машины, взаимодействующая с геосредой. Геометрическая точность оболочки обуславливает характер распределения контактных нагрузок, влияя на прочность и жесткость корпуса, его ресурс и энергоэффективность машины в целом [2,3].Корпуса являются одними из наиболее затратных элементов конструкции геохода[4], что делает актуальными вопросы совершенствования, как их конструкции, так и технологии изготовления [5].

Оболочка состоит из частей, являющихся элементами головной секции, внешнего корпуса модуля сопряжения и стабилизирующей секции. Корпусы являются конструктивно преемственными: имеют цилиндрическую форму и состоят из обечаек, системы элементов жесткости, замков и фланцев.

Производство опытного образца геохода, осуществляемое в настоящее время, ставит задачи исследования точности получаемой оболочки геохода и установления причин, вызывающих погрешности. Корпусы изготавливались по технологии, распространенной в тяжелом машиностроении и заключающейся в установке на сборочной плите предварительно собранных замков с обеспечением их требуемого взаимного положения. Замки при этом образуют каркас, к которому последовательно присоединяются остальные элементы сварной конструкции. Подобный подход позволяет обеспечить гарантированную собираемость изделий, избежать высокоточной механической обработки [6] и сократить величину припусков на механическую обработку до минимума [7]. В то же время это накладывает повышенные требования к качеству технологической подготовки сборочного производства [8].

При реализации подобной технологии

геометрические погрешности оболочки главным образом формируются за счет погрешностей взаимного расположения обечаек, а также за счет неточностей изготовления самих обечаек. В работах [9; 10] показано, что погрешности взаимного расположения секторов при сборке и погрешность оболочки каждого сектора значительно влияют на отклонения формы оболочки и определяются допусками на изготовление обечаек и наладочные размеры при сборке.

Однако исключительно геометрическое рассмотрение формирования неточностей не учитывают ряд факторов, которые могут значимо влиять на погрешности. К таким факторам следует отнести деформации составных частей корпусов, вызываемые процессами сварки и обработки давлением [11; 12]. В связи с этим сформулирована задача: исследовать фактическую точность оболочки опытного образца геохода и установить факторы, значимо влияющие на ее погрешности [13]. Для решения поставленной задачи использовались результаты координатного контроля оболочки стабилизирующей секции.

Методика исследований. Для решения поставленной задачи использовались результаты координатногоконтроля[14]оболочкистабилизирующей секции. Измерения осуществлялись с использованием мобильной координатно-измерительной машины «FARO ArmEdge 9». В процессе контроля корпусы устанавливались на контрольной плите по одному из фланцев. Рядом с корпусом монтировалась координатно-измерительная машина. Для расширения рабочей зоны контроль выполнялся за четыре позиции с перемещением КИМ. Для получения координат фиксируемых точек в единой системе координат для каждой из позиций использовалась привязка координатно-измерительной машины по калибрующим конусам. Контроль осуществлялся путем определения координат совокупностей точек, равномерно распределенных по поверхностям оболочек.

Для подробного анализа и определения величин погрешностей положения секторов данные измерений импортировались в специально разработанную

программу [15]. Функционирование программы основывается на создании регрессионных моделей цилиндрических поверхностей, преобразованиях систем координат [16] и их последующем исследовании. Модели цилиндрических поверхностей создавались путем аппроксимации набора точек, полученных в процессе измерений, выражаются следующей системой уравнений:

у/Л2 + В2 + С2 - г + = 0; Л = -ауг1 1 -а2 -а1 (Уо -У*);

В = \11 - а2 - аУ,(хо- х)+ал;

С = ах

4

а, 1 - а„ - а„

где XI, у|, zl - координаты аппроксимируемых точек; ах, ау, az, х0, у0, г - неизвестные коэффициенты регрессии, имеющие следующий геометрический смысл: ах, ау, az - координаты направляющего вектора оси аппроксимирующего цилиндра; х0, у0 - координаты точки, через которую проходит ось аппроксимирующего цилиндра; г - радиус аппроксимирующего цилиндра;е1 - остатки регрессионной модели.

Коэффициенты регрессии в уравнениях определялись по методу Гаусса.

Для определения суммарных геометрических отклонений точек действительной поверхности от номинальной геометрии оболочки создавалась модель цилиндрической поверхности на основе аппроксимации всего набора данных контроля. Остатки модели исследовались методами корреляционного и регрессионного анализа для выявления наличия систематических составляющих в геометрических погрешностях оболочки в последовательности, аналогичной приведенной в работе [17]. При этом координаты точек для каждого сектора переводились

в цилиндрическую систему координат 0zp связанную с осью сектора и преобразовывались в первый октант.

Для определения величин отклонения расположения отдельных секторов и отклонений радиусов секторов создавались модели цилиндрических поверхностей для каждого из секторов в отдельности. Остатки данных моделей также исследовались методами корреляционного и регрессионного анализа для выявления наличия систематических составляющих в геометрических погрешностях оболочки.

Результаты и обсуждение. В таблице 1 приведены параметры моделей поверхностей оболочки в целом и отдельных секторов. Значения параметров в таблице 1 показывают, что секторы корпуса значительно отличаются по своим действительным размерам и по погрешностям формы. Подтверждается заключение, приведенное в работе [18], о том, что при сборке может быть достигнута более высокая точность оболочки, чем та, которую имеют отдельные обечайки. Погрешность укладывается в допуски, установленные конструкторской документацией, но приближается к критическим значениям. Последнее означает, что в серийном производстве при реализации данной технологии изготовления могут возникнуть трудности с обеспечением стабильной точности оболочки геохода [19].

Если из отклонений удалить часть, соответствующую отклонениям, вызванными погрешностями позиционирования оболочек и погрешностям их изготовления, то можно наблюдать картину, приведенную на рисунке 1. Точки с отрицательными значениями отклонений сконцентрированы вокруг массивных и жестких элементов конструкции сектора.

Характер остатков на рисунке 1 не является случайным, что подтверждается результатами их статистического анализа. Расчет статистики Эппса Палли показал, что для сектора 1 и сектора 2 ряды

Таблица 1

Параметры математических моделей поверхностей оболочек

Наименование параметра Сектор 1 Сектор 2 Сектор 3 Сектор 4 Вся оболочка

Диаметр описанного цилиндра, мм - - - - 3195,934

Отклонение от цилиндричности, мм - - - - 9,463

Радиус аппроксимирующего цилиндра, мм 1595,01 1591,89 1604,45 1610,18 1595,25

Стандартное отклонение, мм 1,42 1,11 1,32 0,99 2,10

Максимальное отклонение, мм 2,76 2,85 3,23 1,83 5,25

Минимальное отклонение, мм -4,04 -3,10 -3,33 -2,82 -4,50

Стандартное отклонение, мм 0,99011 2,10460 1,42102 1,11303 1,32553

Доля погрешностей, не объясненных погрешностями позиционирования оболочек и погрешностям их изготовления 69,7% 61,0% 67,3% 47,7% 100%

Погрешность радиуса, мм 6,80 5,95 6,56 4,65 9,75

остатков не соответствуют закону нормального распределения. Критерий поворотных точек не позволил установить наличие тренда в рядах остатков е(0) и еф ни для одного из секторов. Применение статистики Дарбина-Уотсона позволило установить, что в рядах остатков е(0) для каждого из секторов наблюдается автокорреляция, в то же время в рядах остатков еф автокорреляция отсутствует.

Отрицательные значения отклонений в середине сектора связаны с наличием в середине сектора массивного элемента - опоры элемента противовращения, а отрицательные значения по краям секторов связаны с наличием замков. Т.е. наблюдается регулярность изменения отклонений, связанная с регулярностью конструкции собственно сектора. Причиной подобного характера распределения отклонений на секторе могут являться деформации, возникающие вследствие процесса сварки. Неравномерная жесткость конструкции приводит к тому, что массивные элементы конструкции, не меняя в целом своей геометрии, изменяют свое положение относительно других элементов за счет деформаций менее жестких элементов.

8, мм 4 г

Сектор 1

V 5 ••

*

•<ь

. * ' *

в»;

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90

В, град. Сектор 3

8, ММ 4 г

• • • •

JÄ Л» • •• • • - »

• £ • • ч

10 20 30 40 50 60 70 80 90

В, град.

Выводы

Исследование данных координатного контроля оболочки стабилизирующей секции опытного образца геохода показало, что в процессе изготовления корпусов могут возникать отклонения от геометрической точности, близкие к критическим значениям, заданным конструктивными требованиями к оболочке.

Причинами отклонений являются погрешности изготовления обечаек секторов, неточности взаимного положения замков и обечаек в процессе сборки, а так же неравномерная жесткость конструкции секторов, приводящая к деформациям оболочки. Характер отклонений зависит от размещения конструктивных элементов сектора и их относительной жесткости.

Величины погрешностей, связанные с деформациями являются значимыми и могут достигать 70% от общей геометрической погрешности оболочки.

Список использованных источников

1. Аксенов В.В., Хорешок А.А.,

Ефременков А.Б., Казанцев А.А., Бегляков В.Ю., Вальтер А.В. Создание нового инструментария для формирования подземного пространства // Горная

8, мм

Сектор 2

• . • Ч* • • t / • • * • • • • V. * • •<г#

• • • • • • 4.« * •

>

•

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90

В, град. Сектор 4

8, ММ

2 г

-1

••• • • •• г* • • - • • • *.

•• •• • • •• • t •

• * • • • • •• \

• • •• • с*

* • •

Рис. 1. Ряды остатков

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90

В, град.

техника. - 2015. - № 1 (15). - С. 24-26.

2. Aksenov V.V., Walter A.V., Gordeyev A.A., Kosovets A.V. Classification of geokhod units and systems based on product cost analysis and estimation for a prototype model production // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2015. - Vol. 91, Iss. 1. - P. 012088.

3. Аксенов В.В. , Блащук М.Ю., Чернухин Р.В. Применение метода анализа иерархий для выбора типа насоса энергосиловой установки геохода // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2014. - № 3 (103). - С. 38-43.

4. Аксенов В.В., Блащук М.Ю., Чернухин Р.В. О возможности размещения гидробаков энергосиловой установки геохода в его внутреннем пространстве // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2014. - № 6 (106). - С. 37-39.

5. Ласуков А.А., Громыко П.С. Классификатор маршрутных технологических процессов изготовления деталей геохода // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). -2015. - № 3 (68). - С. 23-30.

6. Вальтер А.В., Аксенов В.В. Варианты обеспечения точности оболочек и собираемости корпусов геохода / // Механики XXI веку. - 2015. - № 14. - С. 89-92.

7. Вальтер А.В., Лагунов С.Е. Определение припуска на поверхности вращения сборных корпусных изделий геохода // Актуальные проблемы машиностроения. - 2015. - № 2. - С. 152157.

8. Медарь А.В. Точностной анализ в технологическомпроектированиисборочныхпроцессов // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2009. - № 1 (102). - С. 37-42.

9. Вальтер А.В., Березовский А.Н., Лагунов С.Е. Способ расчета координат отверстий при контроле ответственных фланцев геохода // Современное состояние и проблемы естественных наук. Сборник трудов II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Юргинский технологический институт. - Томск, 2015. - С. 238-242.

10. Вальтер А.В., Аксенов В.В. Определение отклонений геометрической формы

оболочек корпусных изделий геохода // Актуальные проблемы современного машиностроения: сборник трудов Международной научно-практической конференции. - Томск: ТПУ, 2014. - С. 165-170.

11. Chen Z., Shenoi R.A. Influence of welding sequence on welding deformation and residual stress of a stiffened plate structure // Ocean Engineering. - 2015. -Vol. 106. - P. 271-280.

12. Deng D., Murakawa H., Liang W. Numerical simulation of welding distortion in large structures // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. - 2007. - Vol. 196. - № 45-48. - С. 46134627.

13. Вальтер А.В., Аксенов В.В., Бегляков В.Ю., Чазов П.А. Определение погрешности расположения секторов стабилизирующей секции геохода на основе данных координатного контроля // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2015. - № 4 (69). - С. 31-42.

14. Пекарщ А.И., Феоктистов С.И., Колыхалов Д.Г., Шпорт В.И. Координатно-измерительные машины и комплексы // Наука и технологии в промышленности. - 2011. - № 3. - С. 3648.

15. Вальтер А.В., Аксенов В.В., Чазов П.А. Математическое обеспечение обработки данных координатного контроля оболочки геохода // Технологии и материалы. - 2015. - № 3. - С. 4-9.

16. Вальтер А.В., Клековкина Е.Е. Преобразования систем координат металлорежущих инструментов со сменными многогранными пластинами // Научное обозрение. - № 5. - С. 57-60.

17. Walter A.V. Modeling of Track Overlapping Effect on Layer Integrity in the Process of Laser Sintering of Polymer Suspension // 7th International Forum on Strategic Technology (IFOST - 2012): Proceedings: in 2 vol. - 2012. - Vol. 2. - P. 125-128.

18. Walter A.V., Aksenov V.V. Determining deviations in geometry of the geokhod shells // Applied Mechanics and Materials. - 2015. - Vol. 770. - P. 439-444.

19. Безъязычный Б.Ф., Непомилуев В.В.Некоторые проблемы современного сборочного производства и перспективы их преодоления // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2009. - № 8 (109). - С. 18-25.