Конструирование и надежность изделия

В современном производстве надежность изделия наиболее полно характеризует совершенство его конструкции по условиям нормального функционирования изделия по назначению. Не останавливаясь на общих вопросах надежности, показателями которой являются безотказность, долговечность, ремонтопригодность, коэффициент технического использования и другие, следует отметить необоснованность существующего мнения, что обеспечение надежности - дело большой науки. При проектировании станочного оборудования очень многое зависит от пытливости и умения конструктора.

Для металлообрабатывающих станков наиболее характерной является функциональная и параметрическая (точностная) надежность. Способы ее обеспечения в значительной степени различные. Существенно разными могут быть количественные показатели надежности станков различных типов (универсальных, многоцелевых, легких, тяжелых и др.). Все это не позволяет сформулировать единые требования к конструкции с позиции ее надежности. Поэтому ниже рассматриваются только отдельные аспекты проблемы повышения надежности при конструировании.

Под надежной конструкцией в широком смысле можно понимать такую, в которой предприняты меры к тому, чтобы даже при наличии помех или отказов отдельных элементов не наносился серьезный ущерб для функционирования всей системы. Для автоматизированного производства важной стороной является не только совершенствование составных частей (станков, транспортных устройств и др), но и оптимизация структуры, которая может включать развитую диагностику технического состояния, устройства контроля точности изделий, рациональную технологическую схему обработки. Например, в условиях гибкого производства выход из строя ряда станков не должен вызывать простоя всей системы, а лишь уменьшить штучную производительность (за счет изменения маршрута обработки).

Надежность в значительной степени определяется основной идеей машины, например, для станков методом формообразования, компоновкой, кинематической структурой, силовой схемой. Наиболее прогрессивны станки с непрерывными (простыми) процессами формообразования и движениями, например, с вращательным движением вместо возвратно-поступательных (строгание, долбление и др.), в которых велика роль инерционных нагрузок и переходных процессов. Обработка зубчатых колес методом непрерывного обката обладает существенно более высокой надежностью, чем методом единичного деления.

Весьма важным с позиции функциональной, но еще в большей степени точностной надежности является создание станков с минимальным силовым воздействием, например, при применении новых методов обработки (лазерной, плазменно-механической, скоростной обработки абразивно-водяной струей и др.). Большое значение оказывает снижение динамических воздействий на контактируемые поверхности.

Надежность, связанная с компоновкой, определяется величиной и диапазоном изменения характерных параметров при перемещении узлов (нагрузкой на направляющие, жесткостью несущей системы по всему рабочему пространству и т.п.). С этих позиций большей надежностью обладают портальные компоновки по сравнению с консольными (особенно для тяжелых и точных станков). Удобство удаления стружки также может служить показателем надежности компоновки станка в автоматизированном производстве. Защита от внешних и внутренних возмущений является важной стороной совершенствования станков. Сюда входит виброизоляция точных станков с помощью специальных фундаментов (пружинных, пневматических, резиновых ковриков и др.), позволяющих обеспечить низкую (порядка 5... 10 Гц) собственную частоту станка и устранить высокочастотные возмущения. Эффективным способом уменьшения влияния внутренних возмущений является применение бесконтактных (гидро- и аэростатических, магнитных) опор.

Обычно основные параметры машины подтверждаются расчетами. Если расчет показывает критическое состояние работоспособности, то от такой конструкции (от главного замысла) нужно отказаться. Следует искать конструкции, обеспечивающие не только работоспособность, но и реализацию основных параметров машины с запасом (принцип избыточности). Остановимся на некоторых конструкторских методах повышения надежности

Повышение технического уровня машин. Большинство мер, повышающих технический уровень, благоприятно отражается на надежности, даже если они напрямую не направлены на улучшение этого показателя. Применение простых и проверенных решений, стандартизация, унификация и агрегатирование конструкций улучшают надежность.

Повышение точности деталей, как правило, повышает долговечность и улучшает виброакустические качества станка. Повышение точности зубчатых колес на одну степень (для 6 - 8-й степеней точности) повышает долговечность приблизительно на 8... 10 %; снижение погрешностей отклонений форм дорожек качения подшипников от 1,5 до 0,3 мкм увеличивает долговечность в 2,5 раза, а уровень шума снижается до 30 % и т.д.

Замена менее совершенного трения более совершенным, переход, например, на бесконтактные опоры создает оптимальные условия для позиционирования узлов (сила трения пропорциональна скорости и при подходе узла к заданной точке сила трения стремится к 0) и одновременно повышает длительность сохранения точное ги (теоретически она бесконечно большая).

Правильное сочетание механических, гидравлических и электрических (электронных) устройств способствует упрощению конструкции, а следовательно, повышению надежности При этом одним из основных факторов повышения надежности является информационное обеспечение данными о качестве составных частей и машины в целом. По укрупненным оценкам распределение отказов станков с ЧПУ (от общего их числа) составляет: около 50 % электрооборудование и электроника; около 35 % механические узлы; 10 % гидравлика; 5 % прочие отказы.

Тенденциями повышения технического уровня машин являются: существенное упрощение кинематических цепей с одновременным повышением сложности механизмов (закаленные направляющие, шариковинтовые передачи, механизмы автоматической смены инструмента и заготовок и др.). В связи с более интенсивной работой повышаются требования к долговечности и износостойкости механических частей станков:

Применение механизмов с более естественной схемой работы, надежность которых обеспечивается самой природой функционирования. Существенное повышение надежности достигается, например, при применении механизмов, приспосабливающихся к изменяющимся условиям эксплуатации: само- устанавливающихся, самоприрабатывающихся, самосмазывающихся и других подобных механизмов. На рис. 2.5, а показана схема консольно нагруженного вала с самоустановкой опоры 7, благодаря чему повышается работоспособность подшипника. В системе питания радиального гидростатического подшипника с адаптивным управлением (СП с АУ) в противоположных карманах подшипника поддерживается постоянное давление масла независимо от изменяющихся условий эксплуатации (нагрева деталей, их износа, загрязнения масла, фрикционного движения масла при больших скоростях и др.). На рис. 2.5, б показан карман 7, а подвод масла к противоположному карману под давлением р2 осуществляется по проточке, показанной штриховой линией. Суть работы СП с АУ заключается в том, что в диаметрально противоположных карманах поддерживается среднее давление

Конструирование и надежность изделия

независимо от условий эксплуатации. Это достигается благодаря тому, что дросселирующим устройством, от которого масло подводится к каждому карману,

Конструирование и надежность изделия

служит золотник 2. В нем предусмотрены дроссельные отверстия 3, сечения которых изменяются при перемещении золотника. При равенстве рабочих площадей S1, S2 и S3 золотника его положение равновесия обеспечивается при соблюдении равенства (2.1). При этом указанные соотношения давлений устанавливаются автоматически вне зависимости от зазора в опоре (или его изменения), температуры масла, погрешностей изготовления подшипника и др.

В высокоскоростном шпиндельном узле, в котором требуется уменьшать натяг в подшипниках при увеличении частоты вращения, желательно использовать эффект, который всегда сопутствует изменению частоты вращения, например изменение температуры. В приведенной на рис. 2.5, в (схема I) конструкции повышение температуры при росте частоты вращения будет сопровождаться удлинением проставочной втулки 1 (выполненной из соответствующего материала) и уменьшением натяга. (Можно добиться и противоположного эффекта.) Аналогичным образом (рис. 2.5, в, II) можно компенсировать влияние на натяг центробежных сил Fц, действующих на шарики подшипника:

Конструирование и надежность изделия

Для этого достаточно наружное кольцо выполнить с упругой установкой. Для повышения надежности использована сила, возникающая непосредственно из-за изменившихся условий работы, поэтому такие схемы наиболее надежны.

На рис. 2.5, г показаны различные схемы расположения направляющих токарного станка. Учитывая, что износ направляющих скольжения линейно возрастает от давления, наиболее надежными оказываются направляющие, у которых широкая грань перпендикулярна результирующей силе F (складывается из веса узла G и силы резания Fp). Для того чтобы износ меньше влиял на точность, он должен по возможности вызывать только тангенциальное относительное смещение инструмента и заготовки (параллельное скорости v на схеме I). Этому условию в большей степени удовлетворяет схема II, в которой изнашивается на величину Д преимущественно узкая грань I направляющих. Совокупности названных требований отвечает схема III.

Упрощение конструкции. Упрощение конструкции является наиболее эффективным (но не простым!) методом повышения надежности. Использование электрошпинделей без коробок скоростей или шкивов, максимальное упрощение привода подачи (двигатель соединен непосредственно с шариковинтовой передачей) и другое создают условия для достижения высокой надежности Упрощение конструкции может проводиться по следующим направлениям:

  1. упрощением деталей при увеличении их количества;
  2. усложнением отдельных, наиболее важных деталей (узлов) при сокращении их числа.
  3. использованием различных физических принципов для решения задачи и др.

По первому направлению получен механизм для реализации весьма точного радиального перемещения резца 1 (рис. 2.6, а) за счет поворота втулки 2 с эксцентриситетом отверстия d\ по отношению к поверхности d2. Фиксация оправки 3 с резцом в отрегулированном положении производится сильфонными втулками 4 и б при затягивании винтом 5. Кажущееся, на первый взгляд, большое количество деталей не снижает надежности работы, так как детали имеют простую форму и могут быть выполнены с высокой точностью Решение задачи закрепления гайки I шариковой винтовой Передачи с помощью кронштейна 2 выполнено весьма простыми средствами (рис. 2.6, б). Для повышения надежности (смягчения удара при наезде на препятствие) крепление кронштейна производится через упругие шайбы 3.

Примером решения задачи по второму направлению является ползун токарно-карусельного станка, на котором предусмотрено использование как резце- державки 1 (рис. 2.6, в), закрепленной гидроцилиндрами 2 на ползуне, так и вращающегося инструмента на оправке 4, закрепленной цанговым механизмом 3. Конструкция узла (суппорта) усложнилась, однако отпала необходимость иметь два суппорта (одного для токарных, а другого для фрезерно-расточных работ), надежность в целом повысилась.

Конструирование и надежность изделия

К третьему направлению относится весьма простая схема закрепления подвижного узла 1 с помощью электромагнита ЭМ и стальной ленты 2 (рис. 2.6, г, I). При этом используется совокупность технических эффектов (электромагнетизм, упругость ленты). На рис. 2.6, г, II показан привод микроперемещений салазок I, в котором использованы упругие свойства ленты 2. Предусмотрев зазор 5 между электромагнитом ЭМ2 и лентой и обеспечив соответствующую последовательность включения электромагнитов ЭМ1 - ЭМЗ, можно получить весьма малую величину перемещений ΔS ≈ L (1 - cosα) , где α = arcsin δ/L .

В механизме контроля наличия инструмента 7 в шпинделе 2 станка контроль производится по давлению р1 воздуха реле 3 (рис. 2.6, д). Простота конструкции обусловлена удачным сочетанием физических эффектов, используемых в конструкции для решения задачи (воздух часто используется также для обдува конуса, так что конструкция механизма контроля оказывается весьма простой).

Совершенствование силовой схемы. Наибольший эффект достигается на стадии выбора схем резания, компоновок, но важной является также рационализация конструкций отдельных механизмов. Устранение консоли (схема II на рис. 2.7, а) способствует снижению нагрузки на подшипники двигателя 1 и повышает надежность. Рациональному распределению нагрузки в конструкциях способствует устранение избыточных (или введение недостающих) связей. На рис. 2.7, б показана схема V-образных статически неопределимых направляющих, в которых, например, температурные деформации (штриховые линии) вызывают рост удельных давлений по отдельным граням 7 и 2 (схема 7) направляющих. Более рациональная конструкция показана на схеме II.

Обеспечение устойчивости. При работе могут возникать ситуации, когда нагрузки возрастают до недопустимых значений, а также образуются другие помехи, способные вывести машину из строя (столкновение узлов, обрыв тросов и др ). Главным способом устранения больших нагрузок при столкновении узлов является замена в движущихся системах механизмов с геометрическим замыканием механизмами с силовым.

Рассмотрим некоторые устройства защиты узлов от перегрузок. В приводе подач станков с ЧПУ предусмотрена шариковая муфта 7 (рис. 2,8, а), передающая вращение от шкива 2 через полумуфты 3 и 4 на винт 7. При превышении допустимого момента происходит осевое перемещение шариков 5 и пробуксовывание муфты, что контролируется конечным выключателем 6. Аналогичная схема используется на многих механизмах станков.

Конструирование и надежность изделия

 

Конструирование и надежность изделия

 

Конструирование и надежность изделия

В шариковинтовой передаче, показанной на рис. 2.8, б, корпус гайки 1 соединен с перемещаемым узлом 2 через ряд тарельчатых пружин 3, смягчающих удар при столкновении, а в показанной на рис. 2.8, в, ошибки программирования не вызывают столкновения гайки 1 с опорой 4. При подходе гайки к опоре полумуфта 3 винта соединяется с полумуфтой 2 корпуса гайки, вращение ШВП блокируется и тем самым устраняется опасность повреждения элементов качения.

При применении червячного механизма для защиты привода узла 1 при наезде на препятствие 2 (рис. 2.8, г) происходит осевое перемещение червяка 3, сжатие пружины (червяк вывинчивается из червячного колеса, как из гайки) и отключение привода с помощью конечного выключателя 4 (аналогичный привод может использоваться для многократного подвода узла в заданное положение) Конструктивное исполнение червячного механизма показано на рис. 2.8, ж. В устройстве, предотвращающем падение противовеса 1 шпиндельной бабки при обрыве троса 2 (рис. 2,8, д), под действием пружины 3 клин 4 выбирает зазор между предохранительной штангой 5, установленной в стойке 6, и грузом 1 и блокирует падение груза.

Повышение помехоустойчивости при автоматической смене инструмента и заготовки достигается, если в устройствах смены предусмотрен контроль наличия (отсутствия) в гнезде (позиции) магазина свободных мест.

Весьма важным является также исключение аварийных ситуаций при различных нарушениях в работе станков, например, при внезапном отключении электроэнергии. При возникновении такой ситуации узлы, работающие на выбеге (по инерции), должны остановиться без повреждения опор. Это достигается правильным подбором трущихся материалов, обеспечением аварийного смазывания опор гидроаккумулятором либо за счет автоматического подсоединения в этом режиме масляного насоса к движущемуся по инерции узлу (к шпинделю, к планшайбе), снабжающего опор маслом в течение времени вращения по инерции (см. табл. 1.3, схема 2, б).

В механизме зажима заготовки повышенной надежности за счет аккумулирования энергии аккумулирующий объем образуется в результате деформации стенки 1 поршня и крышки 2 (рис. 2.8, е), выполненных относительно нежесткими.

Замена силового замыкания механизма геометрическим. Это особенно важно в устройствах, работа которых требует исключительной надежности (безопасность людей, дорогостоящие операции и др.). В механизме зажима инструмента в двухзахватной руке МАСИ выпадение тяжелого инструмента 1 от сил инерции и веса при повороте руки исключается (рис. 2.9, а), так как дополнительно к пружине 2, осуществляющей силовое замыкание, предусмотрено геометрическое замыкание поворотной клешни 5 с помощью толкателей 3 и 4 (привод толкателей не показан).

Разжим инструмента 1 многоцелевого станка происходит при осевом перемещении цанги 2 за счет ее упругих свойств (рис. 2.9, б, Г), а разжим лепестков цанги 2 (рис. 2.9, б, II) производится принудительно конической поверхностью втулки 3 при осевом перемещении цанги, что более надежно.

Конструирование и надежность изделия

В механизме, показанном на рис. 2.9, в, инструмент зажимается в шпинделе от гидропривода при осевом перемещении тяги 2 влево (масло подается в полость 1 гидроцилиндра). Геометрическое замыкание предусмотрено на случай аварийного отключения давления (обрыва трубопровода и др.). В этом случае подпружиненные фиксаторы, выполненные в виде поворотных рычагов 4, препятствуют самопроизвольному перемещению тяги 2 вправо и откреплению инструмента. Для разжима инструмента требуется переместить поршень 3 с конической поверхностью, служащей для деблокировки механизма. Возрастание усилия на инструменте сверх запланированного не приводит к его смещению и возможной поломке при использовании механизма зажима инструмента, приведенного на рис. 2.9, г. В положении «зажато» (нижняя часть) тяга 1, взаимодействующая с инструментом с усилием пружины 2, не может перемещаться в осевом направлении справа - налево (на разжим), так как через вту лку 6 и шарик 5 воздействует на втулки 5 и 4. Для отжима инструмента необходимо с помощью гидроцилиндра 7 переместить втулку 4 и обеспечить попадание шарика 5 в соответствующую проточку втулки 4 (верхняя часть).

Фиксация деталей. В машиностроении на долю резьбовых (61 %), заклепочных (22 %) и прессовых соединений (12 %) приходится 95 % всех видов соединений. В станках, имеющих значительные динамические нагрузки, на долю резьбовых соединений приходится до 20 % отказов, определяемых механической системой станка. Характерным является разрегулирование направляющих, в частности опор качения, ослабление крепления конечных выключателей, винтов крепления опор, ходовых винтов, соединений гидропривода.

Отвинчивание винтов (болтов) наблюдается как при осевой, так и при поперечной (вдоль стыка) динамической нагрузке, в станках оно обусловлено в основном действием поперечных нагрузок. Надежность крепления повышается при большей затяжке стыков, так как уменьшается доля поперечной нагрузки на болты. Длинные винты меньшего диаметра менее склонны к самоотвинчиванию, крупные винты нужно затягивать с большими усилиями. Влияние плоских шайб на склонность к самоотвинчиванию незначительно.

Для конструкций, находящихся под постоянной нагрузкой, например для разъемных гидростатических опор, характерным является ослабление затяжки, связанное с обжимом резьбы (особенно в начальный период эксплуатации). Основная идея повышения надежности соединений типа резьбовых - объединение преимуществ геометрической связи (больших усилий) и силовой связи (исключение зазоров).

Сила и энергия при монтаже должны значительно превышать эти показатели при работе. Примером может служить дюбель, в котором при монтаже используется три умножителя силы (диаметр рукоятки отвертки больше диаметра дюбеля, резьбовое соединение и угол заострения дюбеля). Весьма ответственны способы фиксации вращающихся и перемещающихся деталей, а также деталей, определяющих важные показатели работоспособности (точность, виброустойчивость и т.п.).

Конструирование и надежность изделия

При закреплении блоков зубчатых колес резьбовые соединения (схемы II и III, рис. 2.10, а) обеспечивают меньшую надежность, чем их фиксация с помощью пружинного кольца 1 (схема I) При фиксации деталей шпиндельных узлов (рис. 2.10, б), обеспечивающих натяг в подшипниках с помощью резьбовых элементов, стопорящие устройства от вывинчивания гаек (схемы I -III) не влияют на точность расположения рабочего торца гайки (могут применяться при относительно короткой проставочной втулке I), а при фиксировании гаек (схемы IV — VI) положение торца может изменяться, что влияет на точность базирования кольца подшипника, поэтому их рекомендуется применять при большой длине проставочной втулки I: (0,5...1)d. При закреплении корпусов 1 опор винтов 2 приводов подач станков с ЧПУ в большинстве случаев более надежная и жесткая фиксация (схемы I, II) является и более трудоемкой (рис. 2.10, в). Однако даже самая простая фиксация корпусов опор с помощью штифтов требует тщательной пригонки отверстий под штифты или шпонок (схема III). В схеме IV максимальная жесткость обеспечивается при усилии на винте, действующем сверху вниз. При фиксировании блока зубчатых колес более надежной, особенно при больших окружных скоростях, является схема II (рис. 2.10, г), поскольку центробежная сила, действующая на фиксаторы 1, увеличивает усилие закрепления Это может оказаться особенно важным при фиксации крупного колеса с внутренним зубом коробки скоростей.

Обеспечение однозначности расположения элементов механизма. Однозначность положения, например, перемещаемого элемента при фиксировании также сказывается на надежности. В устройстве для переключения блока зубчатых колес определенность положения поршня I при его осевом перемещении определяется четкостью работы фиксатора 2 и гидропривода (рис 2.11, а). Фиксатор взаимодействует с конечным выключателем 3 и отключает насос, подающий масло в полость гидроцилиндра. В другом варианте (рис. 2.11, б) перемещение поршня 1 перед его фиксацией в любое из трех положений производится до жесткого упора (например, для перемещения в среднее положение масло подается одновременно в полости 4 и 5; для перемещения в крайнее левое положение - в полость 5). Фиксатор 2 дает возможность отключить насос после остановки поршня 1.

Конструирование и надежность изделия

Диагностика неисправностей. Уровень диагностирования зависит от особенностей станка. Как правило, он повышается с увеличением степени автоматизации, стоимости, важности обрабатываемых на станке изделий. С одной стороны, расширение диагностических функций улучшает помехоустойчивость станка, а с другой, — введение дополнительных устройств усложняет станок и систему его управления, повышает затраты на изготовление. В общем случае следует стремиться к уменьшению диагностических устройств, переходя от диагностики отдельных элементов к изучению состояния станка в целом, например, используя процедуры, которые позволяют оценивать станок по параметрам какого-либо динамического процесса (виброакустическая диагностика). Это требует повышения надежности составных частей и элементов машины. Тем не менее, для каждого станка сохраняется определенная степень оснащения устройствами контроля состояния важных узлов, выход из строя которых может привести к крупным авариям, к браку дорогостоящей заготовки, к нарушению безопасности рабочего и другим последствиям В качестве примеров можно привести контроль величин перекоса поперечины и износа гаек портальных станков. В результате недопустимого перекоса (на величину δ) поперечины I портального станка, например, в результате износа одной из гаек винтов 2 и 3 или поломок в цепи привода (рис. 2.12, а), может произойти заклинивание направляющих 4 и 5 и поломка поперечины. Контроль перекоса производится устройством б, установленным на поперечине и прижатым пружиной 7 к направляющей 5 стойки. При возникновении недопустимого перекоса поперечины включается один из конечных выключателей 8 или 9 и привод перемещения поперечины останавливается.

Износ гаек вертикально перемещаемых узлов можно контролировать как периодически (визуально), так и непрерывно (автоматически). В начале эксплуатации (схема I, рис. 2.12,6) между рабочей 1 и предохранительной 2 гайкой устанавливается зазор h, контролируемый указателем 3. По мере износа витков рабочей гайки от нагрузки F, например на At (схема II), происходит уменьшение зазора (h1 < h) на это же значение. При недопустимом износе включается конечный выключатель 4. В случае отказов в системе контроля и полного разрушения резьбы основной гайки усилие воспринимается предохранительной гайкой 2, что предотвращает аварию.

В отдельных случаях предусматривают автоматический контроль давления в карманах гидростатических опор ответственных узлов (например, уникальных станков, скоростных узлов и др.). Так, при контроле функционирования системы питания шпиндельных узлов (рис. 2.12, в), если, например, в карман 1 по каким- либо причинам масло не поступает или подается в недостаточном количестве (обрыв трубопровода и др.), то перемещаемый пружиной золотник 2 включает реле 3 давления, сигнализирующее о неполадках. При диагностировании состояния узлов уникальных станков используют контроль температуры в круговых направляющих карусельных станков, максимальной разности давлений в гидростатических направляющих, характеризующей распределение нагрузки и деформацию узлов станка, а также контроль зазоров в ШВП с помощью датчиков касания, увода шпинделя от температуры, работы УЧПУ.

В условиях автоматизированного производства важным является контроль состояния режущего инструмента (износа и поломки), что реализуется различными способами (контролем потребляемой мощности и состояния режущей кромки контактным и бесконтактным датчиками, виброакустическим диагностированием).

Развитие систем индикации отказов является одним из направлений повышения надежности высокоавтоматизированного оборудования.

Конструирование и надежность изделия

Технологичность конструкций, понимаемая в широком смысле, оказывает большое влияние на надежность. Надежность существенно зависит от качества соединения деталей, которое изменяется в зависимости от фактических размеров сопряженных элементов в пределах допусков. Не всегда слишком тугое соединение способствует повышению надежности, так как происходит искажение геометрии. Поэтому важно иметь технологический процесс, который гарантирует малое рассеяние размеров даже в пределах поля допуска.

Разные схемы установки подшипников обеспечивают разную технологичность с точки зрения получения требуемого натяга (рис. 2.13): в схеме h (рис. 2.13, а) не исключена возможность создания чрезмерного натяга, так как для его установки требуется фланцем I через ролики подшипника переместить внутреннее кольцо 2 и проставочную втулку 3; в схеме II натяг устанавливается перемещением только внутреннего кольца; натяг в осевых / и радиальных 3 подшипниках создается одновременно (рис. 2.13, б, Г), что не обеспечивает требуемой надежности. Не спасает положения и установка проставочного кольца 2 (показано штриховой линией), поскольку для радиальных опор требуется большее усилие затяжки гайки, чем для осевых. Этого недостатка лишена конструкция (схема II), в которой натяг регулируется раздельно.

Конструирование и надежность изделия

Большое влияние на надежность оказывает выбор материала ответственных деталей с точки зрения обрабатываемости. Например, рассеяние твердости червячных точных колес сказывается как на точности, так и на равномерности износа (с этих позиций лучших результатов достигают при использовании бронзы ОФ 10-0,5). Стабильность размеров во времени, в первую очередь наиболее ответственных деталей (шпинделей, ходовых винтов и др.), а также уровень остаточных напряжений сказываются на сохранении точностной надежности. С увеличением прочностных свойств материала остаточные напряжения меньше влияют на точность.

Применение автоматических устройств для выполнения станком служебного назначения в разнообразных условиях эксплуатации. Используются системы компенсации упругих и тепловых деформаций, износа отдельных механизмов, системы стабилизации тепловых полей, корректировки движений узлов при изменении силовых или геометрических параметров, а также саморегулирования параметров, адаптации механизмов к изменяющимся условиям эксплуатации.

Вопросы триботехники. Износные отказы возникают вследствие ухудшения первоначальных параметров изделия. В станках износ часто приводит также к параметрическим отказам, т.е. к выходу основных параметров (точности) за допустимые пределы. Износ направляющих, винтов, различных узлов трения является основной причиной потери точности. Различают следующие виды изнашивания: абразивное (наиболее опасное для станков), вследствие пластической деформации (смятие шпонок, повреждение зубьев и т.п.), усталостное при циклическом воздействии на микровыступы поверхностей (подшипников, зубчатых колес и др.), а также водородное, окислительное, коррозионное, кавитационное, эрроэионное изнашивание, которые определяются конкретными условиями эксплуатации.

Величина износа

Конструирование и надежность изделия

Скорость изнашивания γ = И/t.

Наиболее характерными методами повышения износостойкости являются следующие.

  1. Правильный выбор материалов трущихся пар - сочетание твердого материала с мягким (сталь - бронза, сталь - тексолит и др.); твердого материала с твердым (лучше, если они отличаются по твердости на 8... 10 HRC). Так как износостойкость чистых металлов находится в линейной зависимости от твердости, следует обеспечить определенный уровень твердости. Критической является твердость металла, достигающая 60 % твердости абразива (при меньшей твердости износ резко увеличивается); поверхностное упрочнение (лазерная закалка, азотирование, цементация и др.), что существенно снижает износ (до 5 раз); исключение сочетания мягкого материала с мягким и назначения трущихся пар из одного материала.
  2. Применение более совершенного трения - замена трения скольжения на трение качения; использование бесконтактных механизмов (на базе гидростатических, аэростатических, магнитных опор).
  3. Улучшение условий смазывания - создание требуемого по условиям эксплуатации режима смазывания (см. табл. 2.7); диспергирование (размельчение) частиц абразива в масле с помощью ультразвукового или гидродинамического устройства. Мелкие частицы абразива (размером менее 5 мкм), содержащиеся в масле, исключают непосредственный контакт и мало сказываются на износе; исключение из масла примесей серы, а также попадания воды в парах сталь - медные сплавы (червяк - червячное колесо и др.) для уменьшения водородного изнашивания, защита рабочих поверхностей от попадания абразива (защита направляющих, винтов и т.п.). Это снижает износ в 2 раза и более; своевременная замена масла.
  4. Совершенствование конструкции с позиции улучшения износостойкости - создание конструкций, у которых износ меньше сказывается на точности и работоспособности (см. рис. 2.5, г); снижение концентраций напряжений, возникающих, например, при фреттинг-коррозии, пластическом деформировании и в других случаях (см. рис. 2.73, а, в); создание постоянных условий на поверхностях трения (применение гидроразгрузки, «обезвешивание» деталей, исключение статической неопределимости и т.п.); снижение вибраций узлов, поскольку высокочастотные составляющие вибраций (с частотой более 20 Гц) в спектре доминирующих нагрузок существенно повышают износ.
  5. Технологические методы повышения износостойкости - применение без- абразивной обработки; правильный выбор шероховатости и метода обработки

В зависимости от режимов работы пар трения имеет место оптимум шероховатости поверхностей и не всегда снижение шероховатости уменьшает износ. Например, в ряде случаев при увеличении нагрузки оптимум шероховатости смещается в сторону более грубой поверхности Это связано с тем, что в связи с повышением выделения теплоты в зоне контакта для ее отвода необходимо увеличивать количество масла, находящегося в неплотностях контактируемых деталей (т.е. поверхность должна обладать определенной маслоемкостью). Хорошо удерживают смазку поверхности, полученные шабрением, алмазным выхаживанием, накаткой роликами.

В табл. 2.7 приведены классы износостойкости материалов.

      6. Создание требуемого режима смазывания (табл 2.8). Нередки случаи недооценки смазочных материалов, между тем их влияние на износ исключительно велико. Например, достаточно ввести в зону контакта смазочный материал толщиной около 0,1 мкм, как сила трения снижается в 10 раз, а износ в 1000 раз по сравнению с «сухим» контактом. Режим смазывания существенно сказывается на работоспособности механизмов.

Конструирование и надежность изделия

При гидростатическом режиме трущиеся поверхности разделены слоем h смазки при любых сочетаниях скоростей и нагрузок и благодаря этому обеспечивают минимальный износ. В качестве смазочных систем преимущественно используют многопоточные насосы (схема I, 3, а), когда в каждый карман масло подастся от своего потока, либо дроссели (схема /, 3, б), при которых для питания используется один насос, а подвод к каждому карману осуществляется через свой дроссель.

Гидродинамический режим смазывания возникает в клинообразной щели при определенных скоростях скольжения (v≥ 1...1,5 м/с). Давление рм в щели (схема II, 2) возникает из-за затягивания в нее вязкой жидкости, перемещаемой поверхностью (валом). Гидродинамический режим наблюдается при работе подшипников скольжения, направляющих, зубчатых и червячных передач, при определенных сочетаниях скорости скольжения v, давления в контакте и вязкости η смазки. Смазочные системы для гидродинамического режима имеют более простую конструкцию (схемы II, 3 - IV, 3) и не требуют высокого давления нагнетания рн. Масло может подаваться самотеком (схема II, 3, в), от многопоточного насоса (схема III, 3, г), с помощью регулируемых и нерегулируемых дросселей (схема III, 3, д) и разбрызгиванием (схема IV, 3, е).

Контактно-гидродинамический режим характерен для зубчатых, цепных передач, подшипников качения, кулачков при высоких контактных давлениях. В условиях контактно-гидродинамического смазывания поверхности скольжения испытывают большие нагрузки и происходят их упругие деформации (схема III, 2), приводящие к увеличению зоны контакта В (до 1 мм и более), несущей нагрузки. Вязкость сжимаемого в малом зазоре (h = 0,5... 1 мкм) масла увеличивается настолько, что в пленке смазочного материала появляются свойства, характерные для твердого тела (модуль упругости, коэффициент Пуассона и др.).

Конструирование и надежность изделия

При этом между изменением давления на трущихся поверхностях и толщиной формирующегося смазочного слоя устанавливается соотношение, обеспечивающее минимально необходимую толщину пленки для реализации режима гидродинамической смазки. Связь между минимальной толщиной пленки h и максимальными контактными давлениями р приведена на схеме 5, б, по которой ориентировочно можно определить зоны режимов смазывания. Для реализации контактно-гидродинамического смазывания подходит любая из смазочных систем, применяемых для гидродинамической смазки, а также смазывание в виде масляного тумана (схема III, 3, а) или импульсами (схема III, 3, б).

Большинство пар трения машин (направляющие, зубчатые передачи, подшипники и др.) работают при граничном смазывании, при котором толщина слоя смазки составляет порядка 0,1 мкм и менее. В этих условиях поведение смазочного материала определяется не его вязкостью, а зависит от особых свойств, которые она приобретает в узких зазорах под влиянием взаимодействия с поверхностями трения. Поверхностный слой твердого тела отличается большой активностью. Это объясняется тем, что внутри твердого тела каждый атом окружен другими атомами и прочно связан с ними по всем направлениям. На поверхности же остаются свободные связи, наличие которых создает атомарное (молекулярное) притяжение. Вследствие чего поверхность твердого тела всегда покрыта тончайшей адсорбционной пленкой. Молекулы I смазочного материала в адсорбированном слое ориентированы перпендикулярно твердой поверхности 2 (в виде ворса, схема IV, 2), благодаря чему смазочный материал в тангенциальном направлении легко изгибается, а в перпендикулярном обладает сопротивлением сжатию. Слой имеет способность самозалечиваться, что предотвращает лавинообразный процесс схватывания в точках контакте 3.

При режиме граничного смазывания микрогидродинамические составляющие подъемной силы отсутствуют а между процессами образования и разрушения поверхностных пленок устанавливается устойчивое равновесие, чему способствует поверхностная обработка (азотирование; и др.). Область существования граничной смазки показана в строке 5. Переход от одного режима смазывания к другому не имеет четких границ: существуют переходные зоны, например режим полужидкостной смазки, при котором появляются зоны контакта и силы трения имеют две составляющие, обусловленные режимами граничной и жидкостной смазки.

Некоторые методы уменьшения влияния износа на работоспособность конструкций приведены в табл. 2.9.

  1. Выбор направления износа. При воздействии результирующей силы F грани направляющей по-разному влияют на точность размера d: в схеме а износ Δ узкой грани 1 оказывает большее влияние на точность, чем износ Δ1 в схемах б, в, где сказывается в основном износ широкой грани 2.
  2. Создание постоянных условий (удельных давлений р или произведения р1) на поверхностях трения, например: за счет регулируемой гидроразгрузки (схема а), разгрузкой направляющих поперечины 1 портального станка от веса шпиндельного узла 4 (схема б); при подачи масла в гидроцилиндр 3 вес узла 4 воспринимается разгрузочной балкой 2.
  3. Обеспечение более совеошенного трения. Использование гидравлического смазывания (схема а) практически исключает изнашивание. Замена трения скольжения трением качения (схема 6) кроме снижения износа уменьшает силу трения во много раз.
  4. Применение бесконтактных механизмов, например, электромагнитной передачи винт - гайка (схема а) или гидростатических направляющих штосселя зубодолбежного станка (схема б) исключают износ.
  5. Создание условий для хорошего смазывания деталей. В парах трения желательно иметь жидкостное трение. Наиболее просто оно реализуется, если возникает гидродинамический режим. При этом скорость скольжения v должна быть перпендикулярна линии контакта 1, например, у подшипника скольжения (схема а). В обычной червячной передаче контактные линии I (схема б) поверхности профиля на большей части длины зуба составляют небольшой угол φ с направлением скорости v скольжения, в результате чего условия образования гидродинамической смазки неудовлетворительные (происходит нагрев и износ передачи). В передаче с улучшенными (благодаря специальной форме профиля) условиями смазывания скорость v составляет с линией контакта 1 (схема в) угол φ ≈ 90°, вследствие чего улучшаются условия смазывания и основные показатели передачи
  6. Применение пористых и антифрикционных материалов в подшипниках скольжения. Втулка 1 пропитана смазочным материалом, и в процессе работы, если этого материала оказывается недостаточно, он при разогревании дополнительно выдавливается из втулки, так как коэффициент теплового расширения материала втулки больше, чем смазочного материала.
  7. Разгрузка от усилий ответственных элементов. В схеме привода стола зубообрабатывающего станка предусмотрены две червячные делительные передачи 7 и 2, одна из которых используется для предварительной обработки, вторая (точная) - при чистовой обработке колес.
  8. Компенсация и самокомпенсация зазоров. В схеме а зазор в передаче винт - гайка периодически уменьшается винтом 7. В схеме б зазор в V-образной направляющей при ее износе устраняется автоматически под действием веса узла.

Конструирование и надежность изделия

К современным методам уменьшения влияния износа также относятся:

Принцип избыточности предполагает создание запасов прочности, износостойкости, жесткости, виброустойчивости, теплостойкости, благодаря чему повышается запас надежности, поскольку область состояний изделия удаляется от области предельных значений параметра.

В отдельных случаях для повышения надежности сложных систем предусматривают резервные элементы, включенные параллельно, которые могут работать либо одновременно, или включаются по мере выхода из строя одного из них.

Смотрите также