Penza, Russian Federation
Penza, Penza, Russian Federation
Tambov, Russian Federation
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
OKSO 35.02.07 Механизация сельского хозяйства
The purpose of the study is to improve the equipment for the Assembly of tension joints of parts by equipping it with automatic process control systems. In the process of modern engineering or repair production uses a variety of ways to connect parts of machines and units. The most popular among them are threaded and splined (among dismountable joints), riveting and welding (including self-connections). Tension joints provide an opportunity to increase productivity, improve the quality of pairing, automate the Assembly process. At the same time, the tension joints cannot be subjected to even a single overload, which can cause the displacement of the connected parts and reduce the strength of the connection. On the basis of a brief overview of the most common methods of connecting parts shows the importance of the application in the Assembly of cylindrical parts by connecting with tension by pressing using hydraulic presses. The research methodology included a theoretical justification of the parameters of the Assembly of connection parts and power calculation. Expressions for determination of force of pressing of details and its components are presented. The equations and recommendations obtained and given in this work allow to determine the necessary working pressure of the fluid by the known parameters of the collected connection and the hydraulic press, that is, to adjust the hydraulic drive of the press; by the known parameters of the collected connection and the nominal value of the working pressure of the fluid in the hydraulic drive of the press, the choice of the necessary technological equipment (press model) is justified. It is recommended to control the pressing process by changing the press power. When the press is hydraulically driven, the volume flow of the fluid to the press and the pressure difference of the fluid at the inlet and outlet of the drive motor must be changed.
preload, assembly, connections, press, pressure, pressing, pressure, hydra
В процессе современного машиностроительного или ремонтного производства используются разнообразные способы соединения деталей машин и агрегатов. Наиболее массовыми среди
них являются: среди разборных соединений – резьбовые и шпоночные; среди неразборных
соединений – сварка и клепка [1].
Соединения деталей с натягом так же широко используются в различных отраслях машиностроения, как при производстве нового оборудования, так и при его ремонте (например, при изготовлении и ремонте червячных колес, для установки подшипников скольжения в корпусные детали, для соединения валов с зубчатыми колесами, подшипниками качения, рычагами, маховиками
и т. д.). Основным способом сборки является прессование, либо температурное деформирование. При этом соединения с натягом просты конструктивно, достаточно надежно воспринимают и передают статическую и динамическую нагрузку при сохранении центрирования деталей соединения и возможности разборки соединения [1].
Соединения с натягом дают возможность повысить производительность труда, улучшить качество сопряжения, автоматизировать процесс сборки. В то же время соединения с натягом нельзя подвергать даже однократной перегрузке, которая может вызвать смещение соединяемых деталей и уменьшение прочности соединения. Однако, при этом требуется соблюдение повышенной точности изготовления поверхностей сопряжения, имеется угроза снижения передаваемой нагрузки за счет снижения натяга и повреждения посадочных поверхностей в процессе сборки соединения, а так же возрастания повышенной концентрации напряжений на краях соединения (особенно охватывающей детали) [1].
Цель исследования – совершенствование оборудования для сборки соединений деталей с натягом путем оснащения его системами автоматического управления технологическим процессом.
Задачи исследования: определить взаимозависимость необходимого рабочего давления жидкости и параметров собираемого соединения для возможности наладки гидравлического привода технологического оборудования; установить условия для выбора необходимого технологического оборудования; выявить направление дальнейшего совершенствования оборудования для сборки и разборки соединений деталей с натягом.
Материалы и методы исследований. Наибольшее применение среди соединений с натягом нашли надежные и экономичные неподвижные неразъемные соединения цилиндрических деталей, выполняемые методом прессования.
По способу получения нормальных напряжений на сопрягаемых цилиндрических поверхностях различают поперечно-прессовые и продольно-прессовые соединения с гарантированным натягом. В поперечно-прессовых соединениях сближение цилиндрических сопрягаемых поверхностей происходит радиально или нормально к поверхности контакта. Процесс сборки продольно-прессовых соединений (рис. 1) состоит в том, что к одной из двух деталей прикладывается осевая сила. Охватываемая деталь (вал) имеет наружный диаметр больший, чем диаметр
отверстия охватывающей детали (втулки). Соединение этих деталей при относительном продольном перемещении на длину контакта
происходит с деформированием металла, в результате чего на цилиндрической поверхности контакта возникают значительные нормальные давления и силы трения, обеспечивающие неподвижность деталей в соединении [1].
Гальванические покрытия на сопрягаемых поверхностях обычно повышают прочность соединения, хотя в процессе запрессовки часть покрытия на поверхностях контакта деформируется и может быть повреждена [2].
В машиностроении сборка и разборка соединений с натягом обычно производится на гидравлических прессах. Такая сборка отличается доступностью и универсальностью, а также сравнительной простотой автоматизации управления технологическим процессом. К недостаткам следует отнести возможность появления задиров и схватывания сопрягаемых поверхностей деталей при сборке и разборке без смазки, а также потери устойчивости при сборке тонкостенных и длинномерных деталей. Кроме того, обеспечивается более низкая, по сравнению с другими способами сборки, статическая и усталостная прочность деталей и соединений и не обеспечивается сохранение качественных поверхностей деталей после разборки соединения [3].
Сборка соединений прессованием применяется в тех случаях, когда необходимо обеспечить большое усилие на значительной длине хода, постоянную или изменяющуюся по заданному закону скорость прессования, выдержку изделия под давлением, сложную циклограмму технологического процесса.
Прессы характеризуют рядом параметров, в число которых обычно входят: номинальное усилие, величина хода рабочих элементов, скорости холостого, рабочего и обратного ходов, технологические размеры (расстояние между плоскостями упорного и нажимного элементов в исходном положении, так называемая «открытая высота», размеры рабочего стола), мощность привода, габаритные размеры и масса [4].
В качестве главного параметра пресса, определяющего его типоразмер, принимают номинальное усилие. Физический смысл номинального усилия, развиваемого прессом, – это сила, предельно допускаемая прочностью деталей привода и исполнительного механизма с учетом безопасности и требуемой долговечности.
Рис. 1. Схема сборки продольно-прессового соединения с натягом
Анализ гидравлических прессов по технологическому назначению, структуре, конструкции и другим признакам показал, что в большинстве случаев наиболее подходящими для сборки и разборки соединений с натягом являются универсальные прессы простого действия одностоечные с неподвижной С-образной станиной, открытые с верхним расположением одного цилиндра и вертикальным ходом ползуна.
Методика исследований предусматривала теоретическое обоснование параметров сборки деталей соединения и силовой расчет.
Результаты исследований. При сборке соединений с натягом необходимая сила запрессовки в основном определяется силой T статического трения в зонах контакта сопрягаемых деталей [2, 3]
, (1)
где – номинальная площадь контактирующих поверхностей деталей в соединении, мм2; для цилиндрических соединений типа «вал-втулка»
;
D и L – соответственно диаметр и длина зоны контакта, мм;
– удельная сила статического трения, МПа;
;
– предел текучести более мягкого материала соединения, МПа;
– интеграл вероятностей;
– квантиль нормального закона распределения;
;
и
– шероховатости сопрягаемых поверхностей вала и втулки;
– степень упрочнения поверхности контакта более мягкого из материалов соединения;
;
– номинальное контактное давление, определяемое по известным уравнениям Ламе
;
;
;
– диаметр сопрягаемых поверхностей (посадка) вала и втулки после сборки, мм;
– диаметр вала до сборки, мм;
– диаметр отверстия втулки до сборки, мм;
– натяг, мм;
;
и
– модули упругости Юнга материалов вала и втулки;
и
– коэффициенты Пуассона материалов вала и втулки.
В момент сборки соединения с натягом усилие на неподвижном рабочем органе гидравлического пресса возрастает, пока не становится равным силе
статического трения в зоне контакта поверхностей собираемых деталей. Дальнейшее увеличение усилия запрессовки приводит к начальному сдвигу и последующему ускоренному движению рабочего органа пресса.
Уравнение соотношения сил на поршне гидравлического цилиндра при работе вертикального пресса можно представить в виде
, (2)
где – движущая сила поршневого цилиндра с односторонним штоком, Н;
;
– давление жидкости в рабочей полости цилиндра, МПа;
– площадь поршня со стороны бесштоковой полости цилиндра, мм2;
;
– диаметр поршня цилиндра пресса, мм;
– вес подвижных частей пресса, Н;
– сила статического трения в зоне контакта собираемых деталей соединения с натягом (Н), определяемая по формуле (1);
– сила трения в направляющих рабочего органа пресса, Н;
;
– сила контакта подвижных частей и вертикальных направляющих пресса, Н;
– коэффициент трения; для чугунных направляющих в момент начала движения
, при малых скоростях и установившемся движении
, при скоростях движения более 0,05 м/с и хорошей смазке
;
– сила трения в резиновых уплотнениях поршня, Н;
;
– сила трения в резиновых уплотнениях штока, Н;
;
и
– уплотняемые диаметры поршня и штока гидравлического цилиндра;
– ширина уплотнения, мм;
– напряжение силы трения (удельное трение), при работе на минеральном масле
МПа.
Если на поршне установлены металлические уплотнительные кольца (например, из чугуна), то
,
где – количество уплотнительных колец;
– давление кольца на внутреннюю поверхность цилиндра;
МПа;
– давление жидкости в рабочей (бесштоковой) полости цилиндра;
– коэффициент трения; можно принять
.
Сила противодавления со стороны штоковой полости гидравлического цилиндра определяется зависимостью
,
где – давление жидкости в сливной полости цилиндра;
– площадь поршня со стороны штоковой полости цилиндра:
.
При эксплуатации гидравлических прессов наибольшее усилие прессования принято ограничивать величиной 0,75…0,80 расчетного (паспортного) усилия пресса.
Протекание процесса сборки, а, следовательно, и качество собранного изделия, зависит от многих факторов: величины натяга в соединении, физико-механических свойств материалов сопрягаемых деталей, параметров состояния контактирующих поверхностей, наличия смазки и покрытий, скорости выполнения операции, точности относительного положения деталей в сборке и многих других. Влияние многих из перечисленных выше факторов в настоящее время не поддается точному аналитическому описанию. Исходя из этого, обеспечить процесс сборки или разборки соединения так, чтобы все факторы в любой момент времени были бы заранее учтены, например, при наладке сборочного оборудования, невозможно. Следовательно, для обеспечения качества собираемого изделия необходимо использовать автоматическое управление процессом сборки [5].
Управлять процессом запрессовки можно путем изменения, например, мощности пресса. Если сборочный пресс имеет гидравлический привод, то его мощность определяется в основном произведением объемного расхода жидкости, подводимого или отводимого от двигателя привода, и разности давлений жидкости на входе и выходе движителя [6, 7].
Важными элементами систем управления являются измерительные преобразователи (датчики) скоростных и силовых параметров технологического процесса сборки, представляющие собой устройства, различающиеся по характеру получения сигнала от измеряемой величины, по характеру зависимости выходного сигнала от входного, по виду преобразования сигналов, по назначению и т.п.
Наилучшие результаты по точности и чувствительности имеют системы с гидравлическими измерительными преобразователями типа «сопло-заслонка» [8]. В таких системах управления отпадает необходимость многократных преобразований сигнала, несущего информацию о ходе технологического процесса, из одного вида энергии в другой, что существенно повышает чувствительность и быстродействие, снижает погрешность измерений и упрощает систему автоматического управления в целом. Применение таких систем возможно не только во вновь проектируемом оборудовании, но и при модернизации существующего, с целью повышения технического уровня машин без значительных материальных затрат.
Заключение. Используя полученные уравнения, можно решить следующие задачи: по известным параметрам собираемого соединения и используемого гидравлического пресса определить необходимое рабочее давление жидкости, то есть произвести наладку гидравлического привода технологического оборудования; по известным параметрам собираемого соединения и номинальному значению рабочего давления жидкости в гидравлическом приводе пресса обоснованно выбрать необходимое технологическое оборудование (модель пресса).
Дальнейшее совершенствование оборудования для сборки и разборки соединений деталей с натягом должно осуществляться путем оснащения его системами автоматического управления параметрами и характеристиками технологического процесса.
1. Mironov, V. A. Calculation of forces of friction of the mating parts in preloaded joints / V. A. Mironov, A. A. Lankov, G. I. Rogozin. - Tver’, 2004. - 220 p.
2. Bezhyazychniy, V. F. To the question of technological quality assurance of connection parts in the Assembly with guaranteed interference / V. F. Bezhyazychniy, M. V. Fedulov // Assembly in mechanical engineering, instrument making. - 2012. - № 6 (143). - P. 33-41.
3. Ivanov, A. S. The calculation of the connection with tension in the general case of loading / A. S. Ivanov, M. M. Ermolaev, S. K. Rudnev // Modern engineering. Science and education. - 2016. - № 5. - P. 453-463.
4. Ivanov, A. S. Method of calculation of connection with tension in the general case of loading / A. S. Ivanov, M. M. Ermolaev, S. K. Rudnev // Progressive technologies and systems of mechanical engineering. - 2015. - № 1 (51). - P. 75-83.
5. Simanin, N. A. Improvement of Assembly technology of connection of parts with tension / N. A. Simanin, V. V. Konovalov, S. S. Petrova // Bulletin of the Samara State Agricultural Academy. - 2016. - Vol. 1, №2. - P. 30-34.
6. Simanin, N. A. Hydraulic systems of automatic control of technological operations in mechanical engineering / N. A. Simanin, V. V. Golubovsky. - Penza : Penza State Technical University, 2009. - 155 p.
7. Simanin, N. A. Adaptive control of a hydraulic press to separate the plate and profile rolling, cold / N. A. Simanin, V. V. Konovalov, Yu. V. Rodionov // Bulletin of Tambov State Technical University. - 2016. - Vol. 22, №2. - P. 315-322.
8. Simanin, N. A. Design of elements and systems of automatic control of hydraulic drives of technological equipment / N. A. Simanin, V. V. Golubovsky. - Penza : Penza State Technical University, 2015. - 205 p.
