Автореферат Еренчинова Д.К.


УДК 621.646.6                                                             На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

 

ЕРЕНЧИНОВ ДАНИЯР КАГАЗБЕКОВИЧ

 

 

Технология и оборудование для финишной  обработки пробок шаровых кранов обкатыванием

 

 

 

05.03.01 - Технологии и оборудование

механической и физико-технической обработки

 

 

 

 

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2008

Работа выполнена в Казахском  национальном техническом университете им. К.И.Сатпаева

 

 

Научный руководитель:           доктор технических наук,

                                                    Тусупбеков М.Р.

 

Научный консультант:             кандидат технических наук

                                                       Зимин В.В.

                  

 

Официальные оппоненты:       доктор технических наук,

                                                     Муслимов А.П.    

 

                                                    кандидат технических наук,

                                                   Тулекбаев Е.Т. 

 

Ведущая организация:             Карагандинский государственный                                     

                                                      технический университет

 

 

Защита состоится «28» ноября 2008г. в  14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 14.07.02 в Казахском национальном техническом университете имени К.И. Сатпаева по адресу: 050013, г.Алматы, Сатпаева 22, Институт машиностроения, МСК-21

 

         факс (7272) 92-60-25, e-mail: aIInt @ kazntu. Sci.kz

 

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета имени К.И.Сатпаева

 

 

 

Автореферат разослан «28» октября 2008г.

 

 

 

 

 

 

Ученый Секретарь                                                     Сазамбаева Б.Т.

 

 

Введение

Актуальность темы. В настоящее время производство шаровых кранов в арматуростроении  занимает значительное место. Одной из основных проблем при изготовлении шарового крана является относительно высокая трудоемкость получения необходимого качества запорной поверхности сферических пробок: отклонение от круглости 20-40 микрометров и шероховатость поверхности .

Традиционные методы финишной обработки пробок шаровых кранов (притирка, шлифование и полирование) обладают общим существенным недостатком–низкой производительностью. Также мала производительность при использовании поверхностного пластического деформирования (обкатывание штучных заготовок шариками). Этот способ подробно изучен многими авторами и широко внедрен в производство, однако для обкатывания сферических деталей применяется редко из-за сложности управления процессом при изменяющемся диаметре заготовки.

Наличие в пробках сквозного отверстия, паза под шпиндель и относительно большая допускаемая разноразмерность сфер  не позволяют применять известные высокопроизводительные способы финишной обработки, используемые в подшипниковом производстве, так как эти способы предполагают доводку партии высокоточных шариков между двумя дисками в  кольцевых пазах с конусными или плоскими поверхностями.

Цель работы: обосновать необходимость и целесообразность применения нового более производительного способа чистовой обработки пробок шаровых кранов обкатыванием их в специальных желобах, определить технологические параметры, спроектировать и изготовить новое оборудование. Выполнение этой цели было достигнуто предварительными расчетно – теоретическими исследованиями с последующей экспериментальной проверкой полученных данных.

Научная новизна: новым  является ранее не исследованный способ чистового обкатывания пробок шаровых кранов между двумя дисками в торовых желобах без абразива (авт. свид. СССР 1634451). Его изучение  предопределило новые подходы к постановке и решению поставленных задач, в том числе:

- сферическая пробка и паз в форме тора рассматривались не как элементы шарикоподшипника, а как обрабатываемая деталь и инструмент;

- в связи с этим стремление уменьшить износ шара было заменено на обратное, то есть увеличение производительности обработки;

- решение локальной контактной задачи позволило составить таблицу расчетных технологических параметров для обкатывания пробок различных размеров;

- выявлено существенное влияние радиального зазора между поверхностями пробки и желоба на процесс обработки, зависимости определены в виде формул и графиков;

- была выявлена  особенность обкатывания неравножесткой пробки: закатывание поверхности сферы и снижение ее шероховатости у кромок отверстия;

- впервые определены эмпирические зависимости для расчета размеров дисков, желобов и технологических зазоров;

- новыми также являются: конструкция (по результатам исследования) обкатного станка-полуавтомата и методические рекомендации по проектированию аналогичного оборудования.

На защиту выносятся: новые  научно обоснованные результаты теоретических и экспериментальных исследований способа чистового обкатывания пробок шаровых кранов, обеспечивающие решение важной прикладной проблемы машиностроительной отрасли: увеличение производительности обработки в несколько раз.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на конференциях:

- научно-теоретической конференции «Торайгыровские чтения». Павлодарский государственный университет, Павлодар, 2007.

- международной научной конференции «Состояние и перспективы развития механики и машиностроения в Казахстане», КазНТУ им. К.И.Сатпаева, Алматы, 2007.

На заседаниях кафедры «Технология машиностроения» КазНТУ им. К.И.Сатпаева.

На техническом совете Алматинского завода «Эталон».

Практическая ценность работы:

- выявлены рациональные технологические параметры и режимы чистового обкатывания пробок шаровых кранов;

- создан, исследован и внедрен в производство высокоэффективный специальный станок-полуавтомат для обкатывания пробок шаровых кранов Ду 15-50мм;

- разработаны методические рекомендации по проектированию обкатного оборудования для пробок шаровых кранов.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка использованных источников и Приложений. Текст диссертации изложен на 115 страницах и включает 39 рисунков, 2 таблицы, список литературы  67 наименований и 3 Приложения. 

 

 

 

 

 

 

 

Основное содержание работы

 

Во введении дана характеристика работы. Теоретические исследования и эксперименты проводились с целью решения прикладной проблемы: увеличение производительности финишной обработки пробок шаровых кранов с выполнением требуемой точности формы и шероховатости запорной сферической поверхности.

Известные традиционные методы чистовой обработки штучных заготовок пробок шаровых кранов (притирка, шлифование, полирование, обкатывание шариками) малопроизводительны.

Целью исследований являлось обоснование необходимости и целесообразности применения нового способа чистовой обработки пробок шаровых кранов обкатыванием их в торовых желобах и создание нового оборудования.

 По новому способу одновременно обрабатываются только 3 пробки, равномерно расположенные не в конусном, а в торовом желобе. Это позволяет обеспечить, во-первых одинаковые давления на каждую деталь и идентичные условия их обработки и, во-вторых, несмотря  на наличие у пробок отверстий, лысок и пазов, получить одинаковое качество сферических поверхностей (при одинаковой исходной шероховатости).

Перемещение пробки в желобе происходит по закону движения шарика в упорном подшипнике. Качение пробки сопровождается ее «верчением» вокруг вертикальных осей. Поэтому такая обработка не является только поверхностным пластическим деформированием, а сочетает в себе два элемента: обкатывание и фрикционное воздействие. Процесс обкатывания деталей типа шаров в торовых желобах с малым зазором без абразива мало изучен. При его рассмотрении решались следующие задачи:

-   исследование кинематики и динамики процесса,

-   решение локальной контактной задачи,

-   исследование особенностей способа,

-   обоснование технологических параметров обкатывания,

-    разработка, изготовление, исследование и внедрение в производство специального обкатного станка,

-   разработка рекомендаций по конструированию высокопроизводительного оборудования для финишной обработки пробок шаровых кранов.

Метрологическое обеспечение исследований было выполнено с  использованием стандартных измерительных устройств и машин, а также специальных приспособлений.

На защиту выносятся новые научно обоснованные результаты исследований малоизученного способа чистовой обработки пробок шаровых кранов в торовых желобах,  обеспечивающие решение важной прикладной проблемы машиностроительной отрасли.  

 В первом разделе  проведен анализ известных методов и устройств для финишной  обработки пробок шаровых кранов.

Режимы промышленной абразивной доводки шариков подшипников использованы в известных устройствах для чистовой обработки штучных заготовок пробок шаровых кранов. Основные из них следующие:

- устройство для притирки пробки двумя притирами, в котором шпиндели притиров устанавливают под углом друг к другу. На шпинделях закрепляются быстросменные притиры, изготовленные из чугуна с твердостью, меньшей, чем у материала обрабатываемой детали. Между притирами устанавливается деталь, предварительно покрытая методом окунания притирочной пастой. Недостатком устройства является низкая стойкость притиров и малая производительность обработки.

- шлифование чашечным кругом обеспечивает высокую точность и удовлетворительное качество сферической поверхности, однако требует наличия специального оборудования, не обладает высокой производительностью и делает необходимой предварительную сферотокарную обработку с малым допуском на диаметр сферы.

- при притирке плавающим притиром обрабатываемая пробка устанавливается на разжимной оправке и закрепляется на ней с помощью пневмоцилиндра. Абразивная суспензия подается вращающимся роликом.  Недостаток – низкая производительность.

- при алмазном хонинговании чугунных пробок инструментом являются две хонголовки с напаяными алмазными бусками (АС с зернистостью от 20 до 200), которые получают вращение от двигателя. Необходимое усилие их прижима обеспечивается регулировкой давления сжатого воздуха в рабочих пневмоцилиндрах.

-  обкатывание пробки  шариковым обкатником обеспечивается устройством, состоящим  из конусного корпуса сепаратора с  шариками и привода его вращения. При вращении детали и сепаратора происходит обкатывание сферической поверхности пробки.

Отрицательной  характеристикой устройства является возможность  образования отдельных дорожек на обкатываемой поверхности, устранение которых усложняется трудоемким подборами режимов.

- обкатывание сферической поверхности на карусельном станке производится шариком по копиру.  Сложность  процесса заключается в необходимости регулировки  положения оси штока с рабочим шариком из-за большой разности обрабатываемых диаметров сферы.

- обтачивание алмазным резцом производится на высокоточном станке с малой подачей. Этот дорогостоящий метод применяется для обработки пробок из цветных сплавов.

Все перечисленные методы и устройства предполагают обработку только штучных заготовок, что является препятствием для увеличения производительности. 

 

 

 Во втором разделе обоснован выбор направления работы.

Направление работы было выбрано после анализа известных малопроизводительных методов чистовой обработки пробок шаровых кранов.

Известная высокопроизводительная финишная доводка шариков подшипников между двумя дисками повлияла на первоначальное решение провести эксперимент по абразивной обработке пробок шаровых кранов аналогичным способом. Доводка шариков на подшипниковых заводах производится в кольцевых или спиральных желобах с конусными рабочими поверхностями на специальных шародоводочных станках. Для этого используются абразивные пасты с различными наполнителями в зависимости от вида обработки (черновая, получистовая, чистовая).

Применяя описанный метод как прототип для способа обработки пробок шаровых кранов, необходимо было учитывать то, что обеспечить непрерывный контакт с конусными пазами сферических деталей имеющих отверстие, невозможно. Поэтому эксперименты проводились с дисками, пазы которых были тороидальной формы. При этом радиус профиля паза выполнялся больше радиуса заготовки на небольшую величину (0,1-0,3мм). Обработка по такой схеме производилась в специальном устройстве для обкатывания партии деталей. Доводка пробок кранов Ду 6-20мм выполнялась с использованием паст со шлифпорошком зернистостью от 40 до 60мкм. Припуск на доводку 0,03-0,05мм. Время обработки 3-5 часов.

Такая доводка обеспечивала высокую точность и требуемую шероховатость сферической поверхности. Но из-за необходимости тщательной промежуточной промывки деталей (в том числе и внутри пробок) при последовательной обработке пастами различной  зернистости, а также длительности процесса, его применение оказалось малоэффективным. Поэтому были проведены изыскания способа финишной обработки пробок шаровых кранов без применения абразивных материалов, то есть поверхностно-пластическим деформированием.

Для исследования был выбран новый способ чистовой обработки пробок шаровых кранов, представляющий собой следующее (рисунок 1): между двумя дисками 1 и 2, имеющими тороидальные пазы А, размещают только три сферические детали 3, равномерно расположенные по окружности пазов с помощью сепаратора 4. На один из дисков с плавающим креплением 5, действуют усилием Р. Если это усилие увеличивать, то обработку можно производить без абразива, то есть обкатыванием.

Такая обработка объединяет в себе следующие положительное качества:

-  надежное качение пробок с отверстием;

-  равномерность давления на каждую пробку;

-  высокую производительность.

 

                           

Рисунок 1 Схема обкатывания пробок между двумя дисками

 

Рассматриваемый техпроцесс является специфическим, поэтому для его теоретического исследования работа проводилась по следующим направлениям:

-  теория шарикоподшипников (кинематика, контактные задачи, износ);

-  пластическое поверхностное деформирование;

-  упругие деформации оболочек;

-  обработка трением;

-  динамика механизмов с переменными нагрузками.

Теория качения шара в глубоком желобе шарикоподшипника в значительной мере приемлема для исследования процесса обкатывания пробок шаровых кранов.

         Однако выбранным направлением работы было предусмотрено не изыскание условий снижения износа шариков в подшипнике, а наоборот, увеличение этого «износа», то есть производительности обработки.

В третьем разделе представлены теоретические предпосылки обкатывания пробок и обоснование параметров нового технологического процесса.

1. Кинематика движения  пробки шарового крана в торовым желобе  аналогична качению шарика в упорном подшипнике, но из-за наличия в пробке сквозного отверстия ее движение обусловливается некоторыми особенностями.

В связи с тем, что радиус сечения желоба в дисках несколько больше радиуса сферической поверхности пробки, а сфера пробки из-за имеющегося отверстия не полная, то ее центр при качении будет периодически опускаться и подниматься.

Траектория перемещения центра пробки является пространственной кривой. Максимальная величина колебаний пробки по высоте пропорциональна ее диаметру и разности радиусов сечения паза и сферы пробки. В работе она определена расчетной и эмпирической формулами.

Если одновременно обкатываются три детали, то верхний вращающийся самоустанавливающийся диск будет следить за перемещением пробок по высоте и постоянно менять свое положение относительно номинальной горизонтальной плоскости. Эти случайные малые колебания отдельных частей верхнего диска, равные двойному перемещению центра пробки, будут влиять на интенсивность обработки сферы у кромок отверстий, так как в момент подъема («скачка») пробки и соответствующего участка диска над ней давление на пробку из-за динамических сил будет увеличиваться. Однако это обстоятельство влияет на общий результат обкатывания  незначительно, так как величины вертикальных перемещений и дополнительных усилий  весьма малы.  Расчеты, приведенные в работе, показывают, что даже для пробок кранов Ду50мм дополнительные динамические усилия не превышают 20Н.

Глубина торовых пазов в дисках должна обеспечивать при обкатывании отсутствие возможности касания кромок отверстия в пробке с кромками паза. В работе приведены формулы для расчета минимальной глубины пазов.

Форма сечения желобов, отличная от  окружности (эллипс, парабола и др.), как показывают расчёты, влияет на кинематику движения пробки незначительно, и из-за сложности получения такой криволинейной формы применять её нецелесообразно.

Диаметр центральной окружности тора желоба определяется следующими факторами. При обкатывании между двумя желобами пробка  выполняет сложное движение: перекатывание (с трениями качения) и «верчение» (с трением скольжения). Чем меньше диаметр центральной окружности тора жёлоба, тем больше проявляется эффект истирания, однако существенного влияния на результаты обработки это обстоятельство не оказывает. С учётом конструктивных соображений указанный диаметр целесообразно выбирать равным 4-7 диаметрам сферы  пробки.

2. Пятно контакта.

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) шариками и роликами подробно исследовано многими авторами и широко применяется для упрочняющее - калибрующей  обработки различных деталей. Но закономерности процессов ПДД только частично схожи с условиями обкатывания пробок шаровых кранов в торовых желобах. Поэтому для определения режимов такого обкатывания необходимо учитывать как теории ППД, так и специфику рассматриваемого процесса, аналогией для которого является движение шарика в упорном шарикоподшипнике.

На рисунке 2 показана схема расположения пробки при обкатывании между двумя дисками. Из-за неравножесткости пробки пятно контакта в различных ее положениях будет разным. Размеры такого пятна при положении пробки, показанном на рисунке 2, будут наименьшими.

Для двух кривых поверхностей тел, имеющих модули упругости  и, коэффициенты Пуансона  и  сжимаемых силой Р, пятно эллиптического контакта определяется формулами:

 Большая полуось эллипса:                (1)

Малая полуось:                                  (2)

где и- коэффициенты, зависящие от соотношения радиусов кривизны поверхностей.

- сумма кривизн соприкасающихся поверхностей с радиусами  и ,  и радиальным зазором между ними , где- радиус сферы пробки,  - радиус сечения желоба диска. Зазор  существенно влияет на процесс обработки. Для рассматриваемого случая

                           

Рисунок 2 Схема расположения пробки при обкатывании между двумя дисками

 

Подставляя численные значения в формулы (1) и (2), получим расчетные размеры осей эллиптического контакта, мм

большая ось:                                                  (3)

  малая ось:                                                                               (4)

         Площадь пятна контакта .

 

3. Усилие давления на верхний диск.

Расчетное усилие на верхний диск определяется, исходя из следующего соображения.

Величина  сближения контактирующихся тел (пробки и желоба) от давления Р должна быть равна величине натяга, требуемого для снятия микронеровностей и получения шероховатости сферы пробки в пределах .

Глубина внедрения инструмента в деталь значительно больше высоты сминаемых микронеровностей () и составляет (для условий поверхностного пластического деформирования) в зависимости от характера обработки и материала заготовки 0,005 – 0,05 мм. С учетом этого принимаем для расчетов величину сближения контактирующих тел (сталь-латунь): .

Сближение контактирующих тел под действием нормальной нагрузки определяется формулой:

,    

где     (по таблице).

Подставляя в эту формулу значения ,,, и  после преобразований получим величину нормального усилия на каждую латунную пробку при обкатывании ее в торовом стальном желобе,

                             ,  (Н)                                 (5)

Усилие давления верхнего диска на 3 пробки равно .

Максимальное нормальное напряжение,

, или  (МПа)

где  усилие на одну пробку (Н)  и - полуоси пятна контакта (м).

4. Расчет технологических параметров.

По полученным теоретическим зависимостям были произведены численные расчеты (формулы 3,4 и 5).

Расчетные размеры пятен контактов (А и В) и величины усилий на пробку (Р) показаны в представленной в работе таблице, и на графике, где указаны  данные для латунных пробок шаровых кранов Ду 6-50 мм. При этом величина сближения поверхностей пробки и желоба принималась постоянной (0,01мм), а радиальные зазоры (а) между сферой пробок и желобом изменялись от 0,1мм до 0,6 мм.

5. Упругая деформация пробки.

При обкатывании пробка не должно иметь остаточных деформаций, поэтому в работе в качестве примера произведен проверочный расчет для условий обкатывания латунной пробки крана Ду25мм.

Расчетное максимальное усилие на пробку, необходимое для сминания микронеровностей равно . А допустимое сжимающее усилие, рассчитанное по допускаемому напряжению изгиба и моменту сопротивления сечения, составляет 7310Н, то есть почти в три раза больше. Но такой расчет был произведен для положения пробки, показанном на рисунке 2. Во всех других положениях рассчитанный запас упругости будет уменьшаться при приближении пятна контакта к кромкам отверстия в пробке.

Ориентировочный расчет показывает, что в зоне у кромок отверстий будет иметь место остаточная деформация: кромка будет закатываться во внутрь отверстия на небольшую величину, регулируемую параметрами и режимами обкатывания. Численные значения такой погрешности обработки целесообразно определить экспериментами.

6. Мощность привода определяется произведением сопротивления качению на скорость обкатывания. Сопротивление качению пропорционально нормальному усилию Р.  Это усилие для поверхностного пластического деформирования в разных источниках определено по разному, и состояние вопроса нахождения усилия предопределено различным подходом к исследованию процессов ППД. В конечном счете используются экспериментальные зависимости или поправочные коэффициенты для каждого конкретного варианта расчета.

Для случая обкатывания пробок шарового крана между двумя желобами более приемлемыми являются усилия, определяемые по полученным в работе зависимостям, а сопротивление качению целесообразно рассчитывать по формуле для качения шара по «глубокому желобу»:

                                                                                  (6)

где  – сопротивление качению, Н

        – коэффициент трения скольжения,

       Р – нормальная нагрузка на пятно контакта, Н

       Ak – полуось эллиптической площадки контакта,

       перпендикулярная направлению качению (большая полуось), мм

      – радиус шара, мм.

Формула (6) предполагает качение шара по одному «глубокому» желобу. При обкатывании пробки между двумя желобами сопротивление качению будет в два раза большим.

 

 

Расчетная величина мощности для обкатывания одной латунной пробки составляет около 50 ватт. Если в станке одновременно обкатываются 6 пробок и в его приводе имеется двухступенчатая клиноременная передача (КПД=0,88), то потребная мощность привода будет равна 340 Вт.

Следует учитывать, что на мощность привода оказывает большое влияние зазор между желобом и пробкой (а), изменяющий величину полуоси Ak в формуле (6). Например, если в рассматриваемом случае расчетный зазор уменьшить в 2 раза (а=0,15 мм, P=2440 H, Ak=7,2 мм), то мощность на привод увеличится в 2,8 раза.

Вышеизложенные методы расчета потребляемой мощности и других технологических параметров применимы и при проектировании обкатных устройств для пробок шаровых кранов больших проходов . Однако для пробок кранов с диаметрами условного прохода более  созданию подобных обкатных станков должно предшествовать экономическое обоснование.

7. Физико-механические процессы при обкатывании.

При обкатывании в торовом желобе пробка шарового крана совершает  сложное движение: качение и  «верчение». Обоим элементам такого движения сопутствует  трение скольжения.

Радиальный зазор между шаром и желобом и их деформации обеспечивают появление пятна контакта пространственной формы, в котором происходит интенсивное проскальзывание контактирующих поверхностей.  При этом даже при незначительных нагрузках имеют место упругие  и остаточные деформации.

В начальный период циклического контактного нагружения обкатываемых поверхностей деформирование имеет упругопластический характер. После того как пластические деформации стабилизируются, перемещения точек рабочих поверхностей становятся   упругими.

Но и здесь не заканчивается обработка обкатыванием: силы трения продолжают  «изнашивать» поверхность пробки. Согласно теориям трения и изнашивания происходит дальнейшее снижение шероховатости поверхности обкатываемой сферы.

Различными авторами исследованы несколько теорий трения и  износа. Установлено, что процесс работы узла трения можно условно подразделить на две стадии: приработку и установившийся режим. При приработке происходит существенное изменение параметров шероховатости поверхности. В установившемся режиме шероховатость поверхности воспроизводится, оставаясь статически неизменной.

При обкатывании пробок шаровых кранов происходят аналогичные явления, и указанная установившаяся  шероховатость может быть достигнута  при  длительном  обкатывании с относительно малым усилием

 

 

прижима дисков. Однако такая шероховатость намного ниже требуемой, а необходимая () получается при ускоренном процессе «приработки и износа»  с расчетными технологическими параметрами.

Обкатывание, сопровождающееся трением, происходит с выделением тепла. Основная часть тепла выделяется за счет верчения  шара в желобе, то есть в результате действия сил трения. Расчет по приведенным формулам показывает, что получаемое тепло от верчения пробок в желобе нагревает их незначительно и  при выбранных параметрах обработки полностью уносится смазочно-охлаждающей жидкостью. Поэтому нагрев пробок при обкатывании их в номинальном технологическом режиме можно не учитывать.  

В четвертом разделе описаны  результаты экспериментов. За исходные данные для проведения опытных работ были приняты результаты теоретических расчетов и выводы планирования эксперимента. Для сокращения числа наблюдений использовался критерий Вальда. Эксперименты проводились на изготовленном специальном обкатном оборудовании, измерение результатов – с использованием стандартных измерительных устройств и специальные приспособлений.

1. Деформация пробки измерялась в приспособлении  с микронным индикатором. Прилагаемые усилия определялись по образцовому динамометру модели ДОСМ. Величины усилий Р для латунных пробок кранов Ду 25мм выбирались с учетом расчетных данных.

При Р<2400Н в положении пробки по рисунку 2 остаточной деформации, измеренной по внутреннему диаметру, не было. Упругая деформация не превышала 0.025мм.

При изменении положения пробки и приложении усилия Р у кромок отверстия имела место остаточная деформация,  измеренная в месте приложения.  Величина этой деформации как внутри отверстия, так на поверхности сферы достигала 0,05 мм. Для сравнения были также измерены деформации пробок: литой из чугуна СЧ-20(Ду 25мм) и стальной (12х18Н10Т) штампованной (Ду 40мм). При нагрузке на пробку 3000Н остаточных деформаций не было. Упругие деформации составляли соответственно 0,016мм и 0,105мм.

2. Пятна контактов

Размеры пятен контактов измерялись после сжатия пробок в неподвижных торовых желобах радиус сечения которых был больше радиуса пробок на 0,3-0,6мм. Диски с тремя пробками сжимались усилиями  2000 - 6000Н. Полученные размеры пятен контактов оказались меньше расчетных на 15-25% из-за принятых допущений при расчете.

Размеры пятен контактов измерялись также и в различных положениях пробки. При этом большая ось эллипса пятна контакта из-за деформации пробки изменяла свою длину в несколько раз. Обработка экспериментальных данных позволила составить схематическое изображение расположения последовательных пятен контактов при качении пробки в торовом желобе (рисунок 3).

                  

Рисунок 3 Схемы последовательных расположений пятен контактов при качении пробки в желобе

 

Наибольшие размеры пятна контактов имели у кромок отверстия.

При реальном обкатывнии пробка непрерывно изменяет ось своего вращения и пятна контактов, различные по размерам, сливаются в одну обрабатываемую поверхность.

3. Экспериментальное обкатное оборудование

Для проведения экспериментов были спроектированы и изготовлены специальные обкатные приспособления, а затем станок-полуавтомат.

Создание установок для обкатывания партии деталей (по типу доводки шариков подшипников) было первым этапом изыскания высокопроизводительного способа чистовой обработки пробок.

На этих установках обкатывались пробки как с применением абразивных паст, так и без них. При вполне удовлетворительном качестве обработки низкая производительность и разноразмерность диаметров пробок, не позволяющая одновременно обрабатывать все детали,  явились существенными недостатками способа.

Следующими опытными  устройствами были обкатные приспособления к сверлильному станку, аналогичные показанному на рисунке 1. На этих приспособлениях были определены ориентировочные режимы обкатывания и выявлено наличие закатывания поверхности сферы у кромок отверстия.

Для последующих экспериментов был изготовлен специальный станок- полуавтомат для обкатывания пробок шаровых кранов Ду 15-50мм.

Размеры дисков, радиус сечения желобов и их глубина были выбраны с учетом расчетных данных. Полуавтомат Д-7 (рисунок 4) для обкатывания пробок шаровых кранов состоит из станины 2, поворотного стола-ванны 3, траверсы 5 с двумя шпиндельными узлами 9 и двигателем 8, насоса для смазки 7, пневмопривода с цилиндрами 6, электропривода со шкафом 1 и пультом управления 4. Стол-ванна 3 вмещает четыре неподвижных диска 13 с обрабатываемыми деталями 12. Вращение шпинделей производится через клиноременную передачу; два верхних вращающихся диска 11 прижимаются к обрабатываемым пробкам пневмоцилиндрами 6 (через полые шпиндели). Диски 11 самоустанавливаются по трем деталям 12. В ванну 3 наливают смазочно-охлаждающую жидкость  – индустриальное масло.

На станке Д-7 можно обрабатывать например, шесть латунных пробок (ЛЦ40ЛД) диаметром 44мм (с =2 мкм до =0,25 мкм) за 40 секунд (500 деталей в час). Производительность обработки чугунных и стальных пробок примерно такая же, но давление на них должно быть увеличено соответственно в 1,25 и 1,5 раза.

4. Зазор между желобом и пробкой

 Радиальный зазор между желобом и пробкой () при экспериментах изменялся за счет обкатывания пробок с разными диаметрами сферической поверхности.  

Чем меньше зазор между желобом и пробкой, тем больше площадь пятна   контакта   и  больше   относительное   проскальзывание   сопрягаемых поверхностей, вызывающее более интенсивную обработку.

 

 

                 

 

Рисунок 4 Специальный сферообкатной полуавтомат

 

Известно аналогичное увеличение износа шарика при качении его в «глубоком тесном» желобе шарикоподшипника, у которого

или

где – радиус шарика, - радиус сечения желоба.

При обкатывания пробок в «глубоком» желобе факт усиленного износа, то-есть производительности обработки, является положительным, и отношение размеров желоба и пробки, как показали эксперименты,  целесообразно выбирать в пределах

С уменьшением зазора при прочих равных условиях качество поверхности улучшается, однако, из-за допускаемых отклонений диаметра сферы пробки и сечения тора желоба, выдерживать указанный зазор с относительно малым отклонением не представляется возможным. Величину гарантированного (минимального) радиального зазора по результатам опытных данных целесообразно рассчитывать по предлагаемой формуле :

где Ду – диаметр условного прохода крана в мм.

Максимальные зазоры определяются допускаемыми отклонениями на размеры пробок (h 11)  и желобов (H 12).

5. Давление диска на пробки

Давление диска на пробки является важным параметром, влияющим на шероховатость и форму обрабатываемой поверхности. При фактическом обкатывании латунных пробок на обкатном станке оказалось, что величина расчетного давления с принятыми допущениями является максимальной, поэтому для экспериментов давление выбиралось ниже расчетного.

С увеличением давления необходимая шероховатость поверхности пробки может получиться за несколько секунд обкатывания. Однако при этом увеличивается эффект «закатывания» сферы у кромок отверстия, то-есть уменьшение ее диаметра на расстоянии 2-5мм от торцов за счет остаточной деформации () и истирания (). Хотя это искажение формы на узких кольцевых участках является полезным для уменьшения усилия управления шаровым краном, применять большие давления при обкатывании следует с осторожностью. Дело в том, что при этом увеличивается ширина кольцевых закатанных участков у кромок отверстий.

Максимальная величина такого «закатывания», измеренная у торцов,  зависит от давления на пробки и времени обкатывания и может достигать для латунных пробок 0,05-0,07 мм по радиусу. При уменьшении давления и увеличении времени обкатывания влияние истирания может быть основным.

В работе представлены графики зависимости  размеров «закатывания» от усилия , зазоров  и времени обработки. Измерения производились на специальном индикаторном приспособлении.

6. Возможность управления круглостью сферы

Отклонение от круглости поверхности пробки у кромок отверстия можно компенсировать настройкой токарного станка  при обтачивании сферы перед обкатыванием.

         В настоящее время пробки шаровых кранов обтачивают на сферотокарных станках. Круговая подача суппорта при этом производится от копира или задается программой, а также может осуществляться вращением суппорта на оси, перпендикулярной к оси шпинделя.  Последний вариант подачи суппорта наиболее прост и широко применяется в конструкциях  приспособлений и станков для обработки пробок шаровых кранов.

Оси суппорта и шпинделя в таких станках должны пересекаться. Отклонение от пересечения  осей (скрещивание) вызывает отклонение от круглости детали при обтачивании. Направление и величину этого отклонения можно регулировать в сторону, обратную, получаемой при обкатывании. Формулы для определения размера такого регулирования приведены в работе и проверены на обрабатываемых пробках кранов Ду 25мм.

7. Качество сферической поверхности.

При обкатывании пробок на станке Д-7 с номинальными режимами было выявлено следующее. Шероховатость заготовок в пределах  2,5 мкм и одинаковые режимы обкатывания обеспечивали получение стабильного качества сферической поверхности пробок. Однако эта стабильность имела существенную    особенность:  участки «закатывания» сферы на расстоянии 3-5 мм от торцов отверстия имели шероховатость до  0,17 мкм, а на остальной обкатанной поверхности замеренная шероховатость была в пределах   0,201-0,252 мкм. Параметр  измерялся на профилографе-профилометре, профилограммы представлены в работе.

Герметичность шарового крана, являющаяся главной его характеристикой, напрямую  зависит от формы и шероховатости сферической поверхности пробки и параметров уплотнений.

         Согласно основам теории герметичности, механизм утечки через щелевые уплотнения определяется  закономерностями течения вязкой жидкости или газа через микрозазоры. Величина этой утечки зависит от показателя    в третьей  степени, откуда следует, что влияние шероховатости поверхности пробки шарового крана на его герметичность является преобладающим.

Кроме увеличения герметичности, пониженная шероховатость поверхности  пробки шарового крана снижает усилие управления краном, а также увеличивает износостойкость  полимерных (фторопластовых) уплотнений. Однако для каждого из полимерных уплотнений имеется минимальный коэффициент трения, соответствующий определенной шероховатости поверхности металлического контртела. Для варианта пары трения фторопласт-латунь  (0,2 мкм) дальнейшее снижения шероховатости поверхности пробки, с этой точки зрения, не целесообразно, так как при этом будет увеличиваться коэффициент трения, что вызовет увеличение усилия управления краном.

         На основании вышеизложенного следует, что обкатывание сферических пробок существенно улучшает основные технические параметры шаровых кранов.

8. Испытание сферообкатного полуавтомата

Станок – полуавтомат Д-7 для обкатывания пробок  шаровые кранов  Ду 15-50 мм был разработан и изготовлен в акционерном обществе «ДАСУ» (г. Алматы). Его параметры и техническая характеристика были определены и уточнены  в процессе теоретических и экспериментальных исследований настоящей работы. На полуавтомате было обработано 90 латунных (Л63), 12 чугунных (СЧ15) и 6 стальных (20Х13) пробок шаровых кранов Ду 25 с диаметрами наружной сферы 44 мм. Заготовки были получены на токарном станке 16Д20 со специальным  приспособлением. Шероховатость поверхности заготовок  2-2,5 мкм.

В качестве смазочно-охлаждающей   жидкости применялось масло индустриальное 20 с добавлением 10% керосина для снижения вязкости и обеспечения подачи СОЖ на каждый диск не менее 1 литра в минуту.

Частота вращения верхних дисков была постоянной - 150 об/мин, давление их на пробки регулировалось: для латунных деталей – до 700 Н, для чугунных  - до 900 Н и для стальных – до 1200 Н на каждую пробку. Время обкатывания составляло  35, 45 и 60 секунд соответственно.

Минимальные радиальные зазоры между желобами и пробками были в пределах 0,15-0,2 мм, максимальные – 0,3-0,35мм. Уменьшение радиуса сферы у торцов отверстий (закатывание)  было наибольшим у латунных пробок – до 0,05 мм, у чугунных до 0,04 мм и у стальных до 0,035 мм. Шероховатость сферических поверхностей у всех обкатанных пробок была не грубее  0,25 мкм, и все пробки удовлетворяли техническим требованиям.

При обкатывании пробок образуется шлам, состоящий в основном из пылевидных частиц истирания, а также отламывания неровностей и возможных заусенцев на кромках обрабатываемой поверхности. Максимальная толщина этих частиц достигает 20-30 микрометров, а габариты до 1х3 мм. Такой шлам необходимо постоянно удалять из зоны обработки, что достигается  принудительной подачей СОЖ с максимально возможным расходом.

Сама СОЖ при обкатывании своих свойств практически не меняет, но в емкости с маслом (поворотный стол-ванна обкатного станка) постепенно накапливается слой специфической грязи-шлама, который нужно также периодически очищать (примерно 1 раз в смену). Также  нужно следить за состоянием пластинчатого фильтра, загрязнение которого ведет к уменьшению подачи смазочно-охлаждающей жидкости.

Производительность  станка зависела от навыка станочника  оперативно производить смену деталей, так как машинное время обкатывания составляло всего 35-60 секунд.

Полученные  результаты испытаний обкатного станка-полуавтомата Д-7 позволяют сделать вывод о целесообразности использования подобного оборудования при финишной обработке пробок шаровых кранов. При вполне удовлетворительном качестве производительность такого способа обработки по сравнению с традиционными увеличивается не менее, чем в 5 раз.

В пятом разделе  даны  методические  рекомендации по проектированию обкатного оборудования для финишной обработки пробок шаровых кранов.

В них содержатся рекомендуемые технологические и конструкторские решения, выбор и расчеты параметров проектируемого станка. Дан пример конструкции основного узла обкатного механизма. В рекомендациях рассмотрены следующие вопросы:

- исходные данные;

- компоновка устройства;

- рабочие диски;

- привод вращения;

- давление на пробки;

- стол-ванна;

- насос подачи СОЖ;

- электросхема;

- техническая документация.

Эти рекомендации могут быть использованы в качестве технического пособия конструктору.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

1.                Краткие выводы по результатам диссертационных исследований

- известные методы чистовой обработки пробок шаровых кранов (шлифование, притирка и др.) имеют весьма низкую производительность.

         - способ финишной обработки сферических деталей между двумя желобами без  абразива ранее не исследовался.

         - в работе рассмотрен комплекс вопросов: от кинематики и динамики процесса до разработки и изготовления опытно-промышленного образца оборудования.

         - решение локальной контактной задачи позволило составить таблицу расчетных технологических параметров  обработки пробок шаровых кранов Ду 6-50мм.

         - выявлена особенность процесса обкатывания: на узких участках поверхности пробок у торцов отверстия имеется уменьшение радиуса сферы на 0,03-0,05 мм, что является полезным для снижения усилия управления краном.

         - номинальная шероховатость поверхности заготовок пробок должна быть . Получаемая шероховатость сферических поверхностей после обкатывания .

         - расчетная мощность привода для обкатывания проверена экспериментально и составляет, например, при одновременном обкатывании шести пробок кранов Ду 25мм не более 0,4 кВт.

         - для поиска оптимального варианта обкатывания были изготовлены и испытаны три сферообрабатывающих  устройства разных конструкций, в том числе станок-полуавтомат.

- производительность предлагаемого обкатного станка по сравнению с традиционными устройствами выше в 5-7 раз. 

2. Оценка полноты решений поставленных задач

 Диссертационная работа выполнена полностью в соответствии  с поставленными задачами.

3. Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов

В работе по результатам исследований даны подробные методические рекомендации по проектированию обкатного оборудования, которые могут служить техническим пособием конструктору.

4. Оценка технико-экономической эффективности внедрения

Разработанный по результатам исследований обкатной станок-полуавтомат изготовлен и внедрен в производство на Алматинском заводе «Эталон». Станок прост по конструкции, удобен в эксплуатации и повышает производительность финишной обработки не менее, чем в 5 раз.

 

 

5.  Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области.

Научный уровень работы характеризуется новизной подхода к исследованиям (из-за наличия в изучаемом объекте нетрадиционной схемы обработки: качения детали в торовом желобе), а также научными публикациями в отраслевом научно-техническом производственном журнале «Химическое и нефтегазовое машиностроение», г.Москва, который переиздается в США. 

 

 

 

Список опубликованные работ по теме диссертации:

 

1                    Еренчинов Д.К., Зимин В.В. Обоснование параметров чистовой обработки пробок шаровых кранов методом обкатывания. «Химическое и нефтегазовое машиностроение», Москва, 2007, №3.

2                   Еренчинов Д.К.,  Зимин В.В. Исследование особенностей чистового обкатывания пробок шаровых кранов. «Химическое и нефтегазовое машиностроение», Москва 2007, №12.

3                   Еренчинов Д.К., Зимин В.В. Контактная задача теории упругости при выборе режимов обкатывания пробок шаровых кранов. Вестник КазНТУ, Алматы,2007, №2.

4                   Еренчинов Д.К., Зимин В.В. Обработка обкатыванием пробок шаровых кранов. Материалы международной научной конференции. Алматы, КазНТУ, ноябрь, 2007.

5                   Еренчинов Д.К., Зимин В.В. Технологические особенности обкатывания пробок шаровых кранов. Наука и техника Казахстана, Павлодар, 2006, №4.

6                   Еренчинов Д.К., Зимин В.В. Повышение производительности финишной обработки пробок шаровых кранов. Материалы республиканской научно-теоретической конференции. Павлодар, 2007.

7                   Еренчинов Д.К., Зимин В.В. Полуавтомат для обкатывания пробок шаровых кранов. Известия Киргизского государственного технического университета, Бишкек, 2008, №13.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

05.03.01 «Механикалық және физико-техникалық өңдеу құрылғылары мен технологиясы» мамандығы бойынша «Домалақ кранның тығынына сынақ жүргізу арқылы өңдеу құрылғылары және оның технологиясы» тақырыбындағы Еренчинов Данияр Қағазбекұлының  техника ғылымының кандидаты ғылыми дәрежесін ізденуге арналған авторефераты.

 

 

Түйін

Зерттеу объектісі: тор тәріздес формадағы астаудағы екі дискінің арасында домалақ кранның тығынына сынақ жүргізу арқылы толығымен өңдеудің жаңа әдісі.

Жұмыстың мақсаты: арнайы астауда домалақ кранның тығынына сынақ жүргізу арқылы өңдеудің жаңа әдісін қолданудың қажеттілігі мен пайдалылығына негізделуі. Бұл мақсатты орындау алдын-ала есептеу теориялық зерттеулер арқылы алынған мәліметтерге экспериментальды тексерулер жүргізу арқылы қол жеткізілді.

Зерттеулер мен эксперименттер жұмыста қолданбалы проблемаларды шешу мақсатында жүргізілді: қажетті форма тұрақтығын сақтай отырып, домалақ кранның тығынын өңдеудің өнімділігін арттыру.

Жұмысты жүргізу тәсілі

Жұмыс келесідей бағыттарда жүргізілді:

1.     домалақ кранның тығынын таза өңдеу үшін қолданылатын құрылғылармен  белгілі әдістермен танысу;

2.     жұмыс бағытын таңдау;

3.     Теориялық есептеулер мен болжамдар;

4.     эксперименттер.

Осыдан төмендегідей қойылған талаптар орындалды:

1.     процестің динамикасын және механикасын зерттеу;

2.     локальды контактілі есебін шешу;

3.     әдістің артышылығын зерттеу;

4.     сынаудың технологиялық параметрлеріне негізделу;

5.     арнайы сынау станогын дайындау, өңдеу, зертеу және өндіріске енгізу;

6.     домалақ кранның тығынына сынақ жүргізуге арналған жоғары сапалы құрылғының құрылысына ұсыныс жасау.

Жұмыс нәтижесі

Жүргізілген жұмыстың нәтижесінде сынау процесінің ерекшелігі байқалды және өңдеудің технологиялық режимі анықталды. Сынаудың негізгі параметрлерін есептеу үшін теориялық және эмпериялық формулалар қолданылды: астаудың және дискінің мөлшері, технологиялық саңылаулар, дискті сықпалау күші және жетектің қуаты.

6-50мм домалақ кранның тығынын сынау үшін есептелген технологиялық параметрлер анықтамалық кестелер мен графиктер түрінде көрсетілген. Жұмыстың практикалық нәтижесі Ду15-50 мм домалақ кранның тығынын сынау үшін арнайы тиімділігі жоғары жартылай автоматтандырылған станокты құру, зерттеу және енгізу болып табылады.

Негізгі конструктивтік, технологиялық сипаттамалары

Д-7 жартылай автоматтандырылған сынау станогын зерттеу нәтижесінде алынған техникалық мәліметтер сипаттамасы:

- шпиндельдің айналу жиілігі, мин—1...................................................150

- жоғарғы дискілердің сығылу күші, Н......................................1500-5000

- өңдеу уақыты, с................................................................................15-120

- электроқозғағыштың қуаттылығы, кВт.............................................0,55

- сығылған ауаның қысымы, МПа....................................................0,1-0,4

- габариттік мөлшері, мм...................................................1300х1150х1860

- массасы, кг.............................................................................................700

Ендіру дәресежі: Ду 25 домалақ кранның тығынын сынауға арналған жартылай автоматтандырылған Д-7 станогы Алматыдағы «Эталон» заводының механикалық цехінде  қолданысқа енген.

Ендіру бойынша ұсыныстар: Д-7  типті жартылай автоматтандырылған станокты құру және іске қосу үшін арнайы сынау құрылғыларын жобалау туралы әдістемелік құралдар бар.

Қолдану аумағы: домалақ крандарды шығаратын арматуралық заводтардан жұмыстың нәтижесін  қолдануға болады.

Жұмыстың маңыздылығы: бұған дейін домалақ кранның тығынына сынау жүргізудің жаңа әдісіне зерттеу жүргізілмеген. Құрылған Д-7 станогы өңдеудің өнімділігін 5 есе арттырады.

Болжам: техникалық болжамдар мен ұсыныстар және де жартылай автоматтандырылған станоктың құрылымы, арматура құрылысы саласында тиімді қолданысқа енеді деген болжам бар.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

05.03.01. The author's abstract on competition of a scientific degree of Candidate of Technical Science Yerenchinov Daniyar Kagazbekovich on a speciality " Technology and the equipment of mechanical and physicotechnical processing " on a theme " Technology and the equipment for finishing processing taps of spherical cranes by running in them ".

 

Resume

Object of research: a new way of finishing processing taps  of spherical cranes by running in them between two disks in trenches having the form anchor ring.

The purpose of work: the substantiation of necessity and expediency of application of a new way of fair processing a tap of spherical cranes by running in them in special trenches. Performance of this purpose has been reached preliminary is design-theoretical researches with the subsequent experimental checkof the received data.

    Researches and experiments in work were spent with the purpose to solve of an applied problem: increase productivity of finishing processing a tap of spherical cranes with performance of demanded accuracy of the form and a roughness of locking of spherical surface.

The technique of carrying out of work

Work was spent in following sequence:

 - Studying of known methods and devices for fair processing a tap of spherical cranes;

 - A choice of a direction of work;

- Theoretical calculations and assumptions;

- Experiments.

Thus tasks in view were solved:

 - Research of kinematics and dynamics of process,

- The decision of a local contact problem,

- Research of features of a way,

- A substantiation of technological parameters of running,

- Development, manufacturing, research and introduction in manufacture special reeling machine tool,

- Development of recommendations on designing the high efficient equipment for finishing processing a tap of spherical cranes.

Results of work

As a result of work were revealed technical features of insufficiently known process of reeling, technological modes of processing were defined. Thus the theoretical and offered empirical formulas for calculation of key parameters of reeling have been used: the sizes of disks and trenches, technological backlashes, effort of a clip of disks and capacity of a drive.

Calculated data of technological parameters for reeling a tap of spherical cranes Du of 6-50 millimeters are presented in the form of help tables and schedules.

 Practical result of work was creation, research and introduction of the highly effective special machine tool-semiautomatic device for reeling a tap of spherical cranes Du 15-50 millimeters and development of methodical recommendations on designing of reeling equipment for a tap of spherical cranes.

The basic constructive, technological and operational characteristics

   Characteristic of specifications created by the results of research of reeling machine tool-semiautomatic device D-7:

- Frequency of rotation of a spindle, minute-1 … … … … … … … … … ….150

- Effort of pressing of the top disks, Н … … … … … … … … … …1500-5000

- Time of processing, second   … … … … … … … … … … … ……… 15-120

 - Capacity of the electric motor, kilowatt … … … … … … … … … ……. 0,55

- Pressure of compressed air, MPa … … … … … … … … … ..…….…. 0,1-0,4

 - Overall dimensions, millimeters … … … … … … … … .... 1300x1150x1860

- Mass, kilos……………………………………..……………………..……..700

Degree of introduction: machine tool-semiautomatic device D-7 for reeling a tap of spherical cranes Du of 25 mm is introduced in mechanical shop of the Almaty factory "Etalon".

Recommendations on implementation

For creation and introduction of machine tools as semiautomatic device D-7 in work are presented methodical recommendations on designing of reeling equipment.

Scope: results of work can be used by manufacture of spherical cranes on armature factories.

The importance of work: researches of a new way fair of reeling a tap of spherical cranes earlier were not done before. Created machine tool-semiautomatic device D-7 raises productivity of processing not less, than in 5 times.

Forecasting assumptions: technical assumptions and recommendations, and also a design of the machine tool-semiautomatic device should find due application in armature construction branch.