133 "Галузеве машинобудування"

Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/55415

Переглянути

Зараз показуємо 1 - 3 з 3

Обґрунтування раціональних параметрів і режимів навантаження пневматичних шин колісних тракторів сільськогосподарського призначення
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Якунін, Максим Євгенович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії зі спеціальності 133 – Галузеве машинобудування (13 – Механічна інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2023. Дисертація присвячена розв'язанню науково-практичної задачі підвищення ефективності та екологічної безпеки рушіїв створюваних колісних тракторів за рахунок обґрунтованого вибору типорозмірів пневматичних шин і схемних рішень колісних систем. Задача реалізована на прикладі нової створеної конструкції інтегрального трактора ХТЗ-160У. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності колісного трактора ХТЗ-160У на тягових сільськогосподарських операціях за рахунок комплектації науково-обґрунтованими типорозмірами тракторних шин. Об’єкт дослідження – процес взаємодії пневматичних шин і колісних систем трактора ХТЗ-160У з опорною поверхнею при виконанні сільськогосподарських операцій. Предмет дослідження – вплив параметрів і режимів навантаження тракторних пневматичних шин і схемних рішень колісних систем на ефективність технологічних процесів машино-тракторного агрегату на базі трактора ХТЗ-160У. Актуальність дисертаційного дослідження обумовлена необхідністю підвищення ефективності колісних сільськогосподарських тракторів при виконанні ґрунтообробних технологічних процесів аграрного виробництва при одночасному забезпеченні екологічної безпеки та нівелювання негативного ущільнюючого впливу на ґрунт з метою збереження його родючості. В Україні, як і в більшості країн світу, ходові системи колісних тракторів повинні відповідати вимогам державних стандартів щодо норм дії на ґрунт мобільної сільськогосподарської техніки, тому удосконалення та розробка нових методів, які дозволять одночасно покращити ефективність та екологічну безпеку колісних рушіїв на стадії проектування нових або модернізації існуючих конструкцій колісних тракторів, є актуальним науково-практичним завданням. У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, показаний зв'язок з науковими програмами, планами, темами, сформульвані мета, завдання, об’єкт та предмет дослідження, наведені дані методи досліджень, наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, відзначений особистий внесок здобувача та представлена інформація про апробацію результатів дисертації та публікації. В першому розділі провдений огляд досліджень ефективності функціонування колісних тракторів при виконанні тягових технологічних операцій. Розглянуті чинники, які безпосередньо впливають на тягову ефективність трактора та показники його впливу на ґрунт. Наведений аналіз шляхів підвищення ефективності колісних сільськогосподарських тракторів. Особлива увага приділена процесам взаємодії колісного рушія з грунтом, реалізації тягового зусилля та колієутворення. Розглянуті питання стану грунтів під час його механічної обробки та показники екологічної безпеки колісних рушіїв. Зважаючи на поступове зростання енергонасиченості сучасних тракторів проаналізована ефективність тягових та тягово-привідних сільськогосподарських операцій. Розглянуті питання режимів роботи тракторних двигунів, шляхи підвищення їх економічності та узагальнений досвід тягових випробувань тракторів у визнаних в світі лабораторіях штату Небраска (США) та Німецького товариства сільськогосподарських інженерів. У другому розділі наведена модель взаємодії тракторної шини згрунтом, що базується на універсальніх характерстиці пневматичної шини, показаний алгоритм індентифікації коефіцієнтів моделі, що забезпечує відповідність розрахункових результатів даним експериментальних випробувань. Розділ містить математичну модель статичного тягового розрахунку трактора з урахуванням механічних властивостей тракторної шини, перерозподілу 4 радіальних навантаг, внутрішнього тиску повітря, показників трансмісії, величини кінематичної невідповідності в плямах контакту шин ведучих мостів трактора та процесів пресування грунту та колієутворення. Також наведені особливості моделювання тягових процесів при баластуванні трактора литими вагами, заповненні шин рідиною та застосуванні здвоєних колісних систем. Розглянута ефективність здвоєння штатних шин трактора. У третьому розділі на основі обробки та узагальнення наявних даних та інформаційних джерел подана методика обґрунтованого вибору тракторних сільськогосподарських шин, яка апробована на прикладі створеного вітчизняного інтегрального трактора ХТЗ-160У. Методика враховує компонувальні, навантажувальні та експлуатаційні обмеження щодо показників тракторних сільскогосподарських шин. В розділі наведені розрахункові дані статичних тягових розрахунків широкого переліку техніко-економічних показників трактора ХТЗ-160У при комплектуванні різними типорозмірами шин. За погодженням з виробником обраний ряд шин для проведення імітаційних випробувань за процедурою PowerMix. Наведена математична модель режимів роботи тракторного двигуна з урахуванням його завантаження та керування подачею палива. Показана удосконалена апроксимація паливної характеристики двигуна, що дає змогу мінімізувати розбіжність теоретичних та експериментальних даних щодо витрати палива на часткових режимах роботи. Для реалізації тягово-динамічних імітаційних випробувань тактора ХТЗ160У наведений опис та чисельна формалізація польових випробувальних циклів PowerMix, план проведення імітаційного експерименту. В якості критеріїв оцінки ефективності трактора та екологічної безпеки його рушія запропоновано комплексний критерії, що базується на значеннях ККД машинотракторного агрегату та враховує складові втрат потужності в ДВЗ, трансмісії, ходовій системі, а також ймовірності виконання екологічних вимог. Для наочного сприйняття результатів моделювання за процедурою PowerMix та об’єктивного порівняння різних комплектів шин запропонована методика наведення показників ефективності трактора, що базується на параметрах чистої продуктивності та витрати палива. В четвертому розділі проведена оцінка техніко-економічних показників трактора ХТЗ-160У на основі польових випробувальних циклів PowerMix при комплектуванні різними шинами, що містить як підсумкові дані, так і результати за окремими випробувальними циклами. Також наведена оцінка показників агроекологічної безпеки колісної ходової системи трактора ХТЗ160У при комплектуванні різними шинами при виконанні тягових і тяговопривідних технологічних операцій відповідно до плану імітаційного експерименту та широко визнаних в світі польових випробувальних циклів PowerMix. На основі результатів імітаційних випробувань колісного трактора ХТЗ-160У визначались перспективні до застосування шини та схемні рішення колісних систем, а також надані відповідні рекомендації. Результати дисертаційної роботи можуть використовуватися при визначенні або прогнозуванні ефективності та екологічної безпеки рушіїв колісних тракторів при їх проектування та модернізації на основі імітаційних випробувань колісного трактора, що базується на визнаних в тракторобудуванні польових випробувальних циклами PowerMix. Практичну значимість мають наступні результати дослідження: методика аналітичного визначення перспективних до застосування шин і схемних рішень колісних рушіїв для створюваних колісних сільськогосподарських тракторів; методика імітаційних випробувань колісного трактора, яка базується на визнаних в тракторобудуванні польових випробувальних циклами PowerMix. Результати дисертаційної роботи використані при виконанні наукових досліджень Національного технічного університету «Харківський політехнічний інституту» в рамках договірної роботи: «Розробка рекомендацій по вибору параметрів ходової системи і системи підресорювання кабіни трактора» (договір № 26999, ВАТ «Харківський тракторний завод», 2020 р.), Основні наукові положення дисертаційної роботи, розробки і рекомендації впроваджені: – на ВАТ «Харківський тракторний завод» при виборі й обґрунтуванні колісної системи і типорозмірів шин для створюваного інтегрального трактора потужністю 160 к.с.; – на ТОВ «Харків трактор інжиніринг» при виконанні проектних робіт з розробки колісної системи трактора ХТЗ-160У; – у навчальний процес підготовки бакалаврів та магістрів за спеціальністю 133 – «Галузеве машинобудування» в Національному технічному університеті «Харківський політехнічний інститут». За результатами дослідження отримано такі наукові результати: Вперше: – запропонований новий підхід до аналітичного визначення перспективних до застосування шин з широкої номенклатури наявних типорозмірів і схемних рішень колісних рушіїв для створюваних колісних сільськогосподарських тракторів, що базується на показниках ефективності та екологічної безпеки рушіїв; – отримані показники ефективності та екологічної безпеки рушія колісного трактора вітчизняного виробництва, які, на відміну від відомих, визначені за визнаними в тракторобудуванні польовими випробувальними циклами PowerMix; отримали подальший розвиток: – методи визначення критеріїв оцінки ефективності та екологічної безпеки колісних рушіїв, що враховують широкий спектр типових сільськогосподарських тягових і тягово-привідних сільськогосподарських операцій. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 133 – Industrial mechanical engineering (13 – Mechanical engineering). - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2023. The dissertation is dedicated to the solution of the scientific and practical problem of increasing the efficiency and environmental safety of the drives of the wheeled tractors being created due to the justified choice of pneumatic tire sizes and schematic solutions of wheel systems. The task is implemented on the example of the newly created design of the integral tractor KhTZ-160U. The aim of the dissertation is to increase the efficiency of the KhTZ-160U wheeled tractor in traction agricultural operations by equipping it with scientifically based tractor tire sizes. The object of the study is the process of interaction of pneumatic tires and wheel systems of the KhTZ-160U tractor with the support surface during agricultural operations. The subject of the study is the influence of the parameters and load modes of tractor pneumatic tires and schematic solutions of wheel systems on the efficiency of the technological processes of the machine-tractor unit based on the KhTZ-160U tractor. The relevance of the dissertation research is due to the need to increase the efficiency of wheeled agricultural tractors when performing tillage technological processes of agricultural production while simultaneously ensuring environmental safety and leveling the negative compacting effect on the soil in order to preserve its fertility. In Ukraine, as in most countries of the world, the running systems of wheeled tractors must meet the requirements of state standards regarding the norms of action on the soil of mobile agricultural machinery. Therefore, the improvement and development of new methods that will allow simultaneously improving the efficiency and environmental safety of wheeled tractors at the stage of designing new or modernization of existing designs of wheeled tractors is an urgent scientific and practical task. The introduction substantiates the relevance of the topic of the dissertation, shows the connection with scientific programs, plans, topics, formulates the goal, task, object and subject of the research, gives the given research methods, scientific novelty and practical significance of the results obtained, notes the personal contribution of the recipient and information about the approval of the results of the dissertation and publication is presented. In the first chapter, an overview of studies of the effectiveness of wheeled tractors in the performance of traction technological operations is carried out. The factors that directly affect the traction efficiency of the tractor and indicators of its impact on the soil are considered. The analysis of ways to increase the efficiency of wheeled agricultural tractors is given. Special attention is paid to the processes of interaction of the wheel drive with the ground, implementation of traction force and rutting. The issues of soil condition during its mechanical processing and indicators of environmental safety of wheeled vehicles are considered. Taking into account the gradual increase in energy saturation of modern tractors, the effectiveness of traction and traction-drive agricultural operations is analyzed. The issues of tractor engine operation modes, ways to increase their efficiency, and the generalized experience of traction tests of tractors in the world-recognized laboratories of the state of Nebraska (USA) and the German Society of Agricultural Engineers are considered. In the second chapter, the model of the interaction of the tractor tire with the soil, based on the universal characteristics of the pneumatic tire, is presented, the algorithm for identifying the coefficients of the model is shown, which ensures the correspondence of the calculated results with the data of experimental tests. The section contains a mathematical model of the static traction calculation of the tractor taking into account the mechanical properties of the tractor tire, the redistribution of radial loads, internal air pressure, transmission indicators, the magnitude of the kinematic discrepancy in the contact spots of the tires of the tractor's driving axles and the processes of soil compaction and rutting. Features of modeling traction processes when ballasting a tractor with cast weights, filling tires with liquid and using dual wheel systems are also given. The effectiveness of doubling standard tractor tires is considered. In the third chapter, based on the processing and summarization of available data and information sources, a method of justified selection of tractor agricultural tires is presented, which is tested on the example of the domestic integrated tractor KhTZ-160U. The methodology takes into account compositional, loading and operational limitations regarding the indicators of tractor agricultural tires. The section contains the calculation data of static traction calculations of a wide list of technical and economic indicators of the KhTZ-160U tractor when equipped with different tire sizes. In agreement with the manufacturer, a number of tires were selected for simulation tests using the PowerMix procedure. A mathematical model of tractor engine operation modes is given, taking into account its loading and fuel supply control. An improved approximation of the fuel characteristics of the engine is shown, which makes it possible to minimize the discrepancy between theoretical and experimental data on fuel consumption at partial operating modes. For the implementation of traction-dynamic simulation tests of the KhTZ-160U tractor, a description and numerical formalization of PowerMix field test cycles, a simulation experiment plan, are given. As criteria for evaluating the efficiency of the tractor and the environmental safety of its driver, a complex set of criteria is proposed, which is based on the values of the efficiency of the machine-tractor unit and takes into account the components of power losses in the internal combustion engine, transmission, running system, as well as the probability of meeting environmental requirements. For a visual perception of the results of the simulation using the PowerMix procedure and an objective comparison of different sets of tires, a method of specifying tractor efficiency indicators based on the parameters of net productivity and fuel consumption is proposed. In the fourth chapter, an evaluation of the technical and economic indicators of the KhTZ-160U tractor was carried out on the basis of PowerMix field test cycles when equipped with different tires, which contains both summary data and results for individual test cycles. An evaluation of the agro-ecological safety indicators of the wheeled running system of the HTZ-160U tractor when equipped with different tires during traction and traction-drive technological operations in accordance with the plan of the simulation experiment and widely recognized in the world PowerMix field test cycles is also provided. Based on the results of simulation tests of the KhTZ-160U wheeled tractor, prospective tires and schematic solutions of wheel systems were determined, as well as appropriate recommendations were provided. The results of the dissertation work can be used in determining or predicting the efficiency and environmental safety of wheeled tractor engines during their design and modernization based on simulated tests of a wheeled tractor based on PowerMix field test cycles recognized in tractor construction. The following research results are of practical significance: the method of analytical determination of promising tires and schematic solutions of wheel drives for the wheeled agricultural tractors being created; method of simulation tests of a wheeled tractor, which is based on PowerMix field test cycles recognized in tractor construction. The results of the dissertation work were used in the performance of scientific research of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" within the framework of the contractual work: "Development of recommendations for the selection of parameters of the running system and suspension system of the tractor cabin" (contract No. 26999, "Kharkiv Tractor Plant", 2020), The main scientific provisions of the dissertation work, developments and recommendations have been implemented: - at "Kharkiv Tractor Plant" during the selection and justification of the wheel system and standard sizes of tires for the 160 hp integrated tractor being created; - at "Kharkiv Tractor Engineering" during design work on the development of the wheel system of the KhTZ-160U tractor; - in the educational process of training bachelors and masters in specialty 133 - "Industrial mechanical engineering" at the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute". According to the results of the research, the following scientific results were obtained: for the first time: – a new approach to the analytical determination of promising tires from a wide range of available standard sizes and schematic solutions of wheeled drives for the new wheeled agricultural tractors is proposed, which is based on indicators of the efficiency and environmental safety of the drives; – obtained indicators of efficiency and environmental safety of the drive of a wheeled tractor of domestic production, which, unlike the known ones, are determined according to PowerMix field test cycles recognized in tractor construction; received further development: - methods of determining the criteria for evaluating the efficiency and environmental safety of wheel drives, taking into account a wide range of typical agricultural traction and traction-drive agricultural operations.
Підвищення ефективності двостороннього шліфування торців роликів підшипників орієнтованими кругами з конічними калібрувальними ділянками
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Кальченко, Дмитро Володимирович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 133 Галузеве машинобудування. – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», м. Харків, 2023. Дисертаційна робота присвячена підвищенню ефективності двостороннього шліфування торців роликів підшипників орієнтованими кругами з конічними калібрувальними ділянками. У першому розділі проведено огляд наявних методів вивчення та підвищення ефективності процесів шліфування торцевих поверхонь деталей зі схрещеними осями інструменту та деталі, а також тривимірного моделювання правки шліфувальних кругів, інструментальних поверхонь, процесів зняття припуску та формоутворення оброблювальної поверхні деталі. Абразивна обробка набула стрімкого розвитку завдяки роботам наукових центрів, лабораторій та великої кількості вчених, зокрема: А.К. Байкалов [9-10], С.М. Братан [11-12] Ю.Н. Внуков [13], А.П. Гавриш [14], А.І. Грабченко [15-18], В.Л. Доброскок [19-20], В.В. Кальченко [21-22], В.І. Кальченко [23-26], В.Г. Клименко [27], С.М. Корчак[28-29], В.І. Лавріненко [30-32], Г.Б. Лур'є [33], П.Г. Матюха [34-35], Ф.В. Новиков [36-38], О.А. Пермяков [39], Ю.В. Петраков [40-41], Н.С. Равська [7, 42], С.П. Радзевич [43], А.М. Резніков [44], П.Р. Родін [45], М.Ф. Семко [46-47], Ю.А. Сизий [48-49], М.Д. Узунян [50-51], В.А. Федорович [52-54] Л.М. Філімонов [56-57], Степанов М.С. [57-58], А.В. Якимов [59-61]. Об’єктами наукових досліджень вищевказаних авторів виступають процеси шліфування з паралельними і схрещеними осями круга та деталі, визначення величини шару, який зрізається, сил різання, технологічні процеси підвищення якості оброблюваних поверхонь деталей, взаємозалежність режимів обробки та величини вібрацій, тривимірне моделювання шліфувальних кругів, систем формоутворення верстатів, керування та вплив різальної здатності інструментів на температуру, сили різання при обробці, способи підвищення точності обробки із забезпеченням високої продуктивності тощо. Мета та основні завдання дослідження сформульовані в результаті аналізу наукових праць. У другому розділі дисертаційної роботи описується методика виконання експериментальних досліджень. Експериментальні дослідження процесу шліфування торцевих поверхонь роликів підшипників проводилися на модернізованому двосторонньому торцешліфувальному верстаті 3342 АДО. Дослідження температури безпосередньо у місці контакту інструмента та деталі, а також її розподілу під час шліфування проводились за допомогою термопари типу «хромель-капель» і тепловізора HTI Thermal Imaging Camera HT-18. Для визначення профілю абразивного круга був використаний оптиковолоконний датчик. Вимірювання величини потужності проводилось аналізатором потужності С.А 8220. Шорсткість обробленої поверхні деталі визначалась за допопмогою портативного профілометра Pocket Surf ІІІ. Для визначення оптимальних значень величини швидкості подачі деталі, припуску на обробку та кута повороту круга у вертикальній площині, за умови максимальної продуктивності використовувався метод математичного планування експерименту. Був обраний повний факторний експеримент, де фактори варіюються на двох рівнях – типу 23. Параметром оптимізації Y виступала продуктивність обробки Q. У третьому розділі розроблено математичні просторові моделі формоутворення торців круглих деталей при шліфуванні кругами з конічними калібрувальними ділянками, доведено що за розробленою схемою шліфування геометрична похибка довжини деталі дорівнює нулю. Також, у результаті більш рівномірного розподілу припуску вздовж чорнової різальної кромки шліфувального круга покращується якість поверхневого шару торців деталей. Здійснено тривимірне математичне моделювання процесу правки шліфувальних кругів з конічною калібрувальною ділянкою з метою двостороннього шліфування бічних поверхонь циліндричних деталей. Проведено розрахунок довжини калібрувальної ділянки, визначено її мінімально допустиме значення, при якому досягається висока точність торця. Доведено, що величина калібрувальної ділянки залежить лише від діаметру деталей, що оброблюються, та не залежить від величини припуску, що зрізається. На базі просторових математичних моделей процесів зняття припуску і формоутворення при правці круга проведено дослідження поверхні шліфувального круга. Розраховано температуру в зоні різання та сили, що вникають при двосторонньому торцевому шліфуванні циліндричних деталей при обробці за запропонованим способом. У четвертому розділі наведені результати експериментального дослідження процесів зняття припуску, зносу інструмента, точності отриманих поверхонь та температури при шліфуванні орієнтованими кругами задля перевірки достовірності теоретичних результатів дослідження процесу шліфування торцевих поверхонь роликів підшипників орієнтованими кругами. З метою забезпечення високої продуктивності шліфування та визначення оптимальних значень швидкості подачі деталі, припуску на обробку та кута повороту круга у вертикальній площині проведено математичне планування експерименту. Експериментальні дослідження підтвердили підвищення точності формоутворення деталі за рахунок зняття максимального припуску при шліфуванні чорновою ділянкою круга, а мінімального – калібрувальною. Аналіз температурних показників в зоні шліфування показав, що структура поверхневого шару оброблюваної деталі не змінюється, а отже, забезпечується її висока якість. Експериментально визначено потужність під час шліфування торців роликів підшипників. Повний факторний експеримент включає три фактори, які варіюються на двох рівнях. Перевірка значимості коефіцієнтів регресії показала, що вплив на продуктивність обробки при двосторонньому торцевому шліфуванні торців роликів підшипників здійснюють швидкість подачі деталі, припуск на обробку та кут повороту круга у вертикальній площині, а також їх взаємодія, а взаємодія швидкості подачі деталі з припуском на обробку не впливають на результати експерименту. Найбільший вплив на продуктивність здійснює величина припуску. Наукова новизна одержаних результатів: 1. Вперше запропоновано новий спосіб двостороннього шліфування торців роликів підшипників спеціально орієнтованими і профільованими кругами з конічною калібрувальною ділянкою, який зводить до нуля геометричну похибку обробки. 2. Вперше визначені кути орієнтації шліфувальних бабок верстату, при яких геометрична похибка обробки буде дорівнювати нулю і формоутворення торцевої поверхні буде забезпечуватись методом копіювання твірної конуса, яка перпендикулярна оброблюваній поверхні і лежить в площині, що проходить через вісь обертання круга. 3. Вперше розроблені математичні моделі, на базі яких отримані залежності осьового переміщення шліфувального круга від координат алмазного олівця, який обертається разом з барабаном подачі виробів верстату, з метою утворення прямолінійної калібрувальної ділянки. 4. Вперше при запропонованому методі обробки торцевих поверхонь припуск зрізається тільки чорновою ділянкою шліфувального круга, а остаточна точність формуватиметься методом копіювання на конічній ділянці круга при виході із зони обробки, що забезпечує мінімальні сили та теплонапруженність процесу. Практичне значення одержаних результатів: 1. Запропонована схема правки шліфувальних кругів для отримання конічних калібрувальних ділянок забезпечує одночасне формоутворення двох кругів та може икористовуватись не тільки на верстатах, оснащених системами ЧПК, але і без них. За рахунок одночасної правки двох кругів зменшується час підготовки до роботи і, відповідно, підвищується загальна продуктивність роботи обладнання. 2. При правці чорнової та чистової ділянок круга кутова швидкість барабану подачі постійна, що забезпечує формування різної шорсткості вздовж радіусної прямої та покращує умови в зоні різання. При правці калібрувальної ділянки кутова швидкість поступово зменшується, це забезпечує постійну розвиненість цієї частини поверхні та підвищує якість шліфування торців. 3. На базі розроблених загальних модульних просторових моделей правлячого інструменту та процесу правки шліфувальних кругів для отримання конічної калібрувальної ділянки запропоновано програмне забезпечення для реалізації від системи ЧПК. 4. Визначено мінімально допустиму довжину калібрувальної ділянки шліфувального круга при двосторонній обробці торців круглих деталей. 5. Авторство наукових розробок здобувача підтверджується отриманим патентом на корисну модель. 6. Розроблені і впроваджені у виробництво практичні рекомендації з використання наукових розробок на ТОВ «Датчикове підприємство» «ЗАВОД РАПІД» (м. Чернігів), ПрАТ «Чексіл-Автосервіс» (м. Чернігів), ТОВ «Італтекс Меріно» (м. Чернігів). Очікуваний економічний ефект від впровадження результатів роботи становить близько 300 тис. грн. за рік. 7. Результати і методики дисертації використовуються в навчальному процесі кафедри автомобільного транспорту та галузевого машинобудування Національного університету «Чернігівська політехніка».
Удосконалення фінішного оброблення каналу кутових хвилеводів за допомогою полірування полімерно-абразивними щітковими інструментами
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Тришин, Павло Романович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 133 – Галузеве машинобудування – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», МОН України, Харків, 2021. Дисертацію присвячено вирішенню важливої науково-технічної проблеми удосконалення фінішного оброблення каналу в навколошовних зонах кутових хвилеводів, що є одним з головних компонентів радіолокаційних станцій, підвищенню продуктивності та зменшенню собівартості за допомогою полірування полімерно-абразивними щітковими інструментами обертальної дії. На основі системного аналізу і узагальнення досвіду фінішного оброблення каналів кутових прямокутних хвилеводів сформульовано, обґрунтовано, теоретично і практично розроблено фінішний етап виготовлення каналу із застосуванням щіткових інструментів обертальної дії на основі полімерно-абразивних волокон, які забезпечують високу якість і продуктивність та знижують собівартість виготовлення. Отримано подальший розвиток положення щодо технологічних можливостей автоматизованого та механізованого оброблення полімерно-абразивними щітками (ПАЩ) складнопрофільних деталей з важкодоступними ділянками, таких як прямокутні кутові хвилеводи, з метою формування високих експлуатаційних характеристик, скорочення долі ручної праці та підвищення продуктивності оброблення. Розроблено моделі прогнозування отриманої шорсткості поверхні каналу та електричних параметрів хвилеводів на основі дослідження якості поверхні і властивостей поверхневого шару натурних зразків та каналу кутових прямокутних хвилеводів після полірування різними інструментами, в тому числі ПАЩ, що дає можливість ефективно застосовувати фінішне оброблення цими інструментами. У дисертаційній роботі вперше розроблено модель впливу режимів оброблення, параметрів інструменту та властивостей оброблюваного матеріалу на інтенсивність зношення волокон дискових та йоржикових ПАЩ, яка дає можливість забезпечити високу якість і продуктивність за допомогою своєчасного корегування натягу при автоматизованому обробленні, мінімальне зношення ПАЩ і, відповідно, високу працездатність цих інструментів. Розроблено установки та методики дослідження циклічної довговічності волокон ПАЩ і температур в зоні закріплення волокон в маточині для визначення причин їх руйнування і відриву. Впровадження удосконаленого фінішного оброблення ПАЩ дозволило підвищити якість поверхонь навколошовних зон каналу кутових вигинів, не зменшуючи електропровідність поверхневого шару, що зменшило втрати в хвилеводах. У першому розділі розглянуто особливості конструкцій прямокутних кутових хвилеводів, які переважно застосовуються в радіолокаційних станціях (РЛС) через свою просторову компактність, але при цьому вони мають велику кількість з’єднувальних швів. Розглянуто технологію їх виготовлення, яка передбачає зварювання або паяння секцій прямокутних труб (які в стані постачання мають необхідні вимоги точності і якості поверхні каналу) між собою і до приєднувальних фланців. Було встановлено, що при зварюванні або паянні секцій хвилеводів в зоні шва виникають деформації і дефекти поверхні, які усуваються наступним фінішним обробленням, в той час як решта каналу цього не потребує. Встановлено, що електричні параметри в хвилеводах залежать не тільки від електропровідності і магнітної проникності матеріалу, а й від якості оброблення струмопровідних поверхонь. Встановлено, що основним і остаточним показником якості виготовлення хвилеводів є значення електропараметрів, які дають об'єктивну характеристику їх функціональності і регламентуються гранично допустимими значеннями. Встановлено, що більшість методів фінішного оброблення мають низку суттєвих недоліків – невисоку продуктивність, складність інструменту та оснащення, високу вартість обладнання. Більшість методів фінішного оброблення каналу призначені виключно для прямолінійних хвилеводів або тих, які мають плавний вигин. Тому найуживанішим для кутових хвилеводів залишається слюсарне полірування каналу засобами малої механізації. Визначено, що використовувані абразивні інструменти для слюсарного полірування каналу мають невисоку стійкість, а гідною альтернативою їм є щіткові інструменти обертальної дії на основі полімерно-абразивних волокон. Доведено актуальність дисертаційного дослідження, визначено мету роботи та завдання, що необхідно виконати для її досягнення, розроблено структурно-логічну схему дисертаційної роботи. У другому розділі наведено ескізи зразків для випробувань, а також описано основні методичні прийоми вивчення параметрів якості поверхні і властивостей поверхневого струмопровідного шару каналу хвилеводів після фінішного оброблення ПАЩ та найбільш вживаними методами та інструментами. Основні дослідження виконувались на конструктивних елементах (кутових вигинах) натурних кутових хвилеводів двох типів з алюмінію АД0 і латуні Л96, що мають найбільше застосування і труднощі оброблення. З навколошовних зон стінок дослідних конструктивних елементів хвилеводів вирізали плоскі зразки для подальшого дослідження шорсткості, наклепу та електропровідності. Оброблення внутрішнього каналу конструктивних елементів хвилеводу здійснювали електричною прямою шліфмашинкою та електричним стрічковим напилком. В якості інструментів були використані: наждачний папір на оправці; шліфувальний пелюстковий круг на оправці; шліфувальна голівка з нетканого абразивного матеріалу; полімерно-абразивна йoржикова щітка; нескінченна стрічка з наждачного паперу; нескінченна стрічка з нетканого абразивного матеріалу. Запропоновано методику експериментального дослідження впливу методів фінішного оброблення на електричні параметри кутових хвилеводів п’яти типів, а також основні умови проведення експериментів, устаткування і параметри інструментів, використовуваних в роботі. У третьому розділі проведено оцінку впливу методів фінішного оброблення каналу кутових хвилеводів, режимів, а також параметрів ПАЩ та найбільш вживаних інструментів, на одержувану шорсткість струмопровідної поверхні. При проведенні експериментів було встановлено, що шорсткість в напрямку обертання інструменту була до 20 % меншою в порівнянні зі значеннями шорсткості, виміряними в перпендикулярному до обертання напрямку. В ході проведення дослідження встановлено, що зі збільшенням абразивних зерен інструменту, зростав накеп обробленої поверхні. При чому зі зростанням величини наклепу зменшувалась електропровідність струмопровідного шару стінок хвилеводу. Це призводило до збільшення втрат енергії, спричиненої опором матеріалу стінок каналу. Оцінено вплив фінішного оброблення різними інструментами на значення електро-параметрів прямокутного хвилеводу, а саме, на значення коефіцієнту загасання, коефіцієнту стоячої хвилі та електроміцність. Згідно проведених досліджень встановлено, що для всіх досліджуваних матеріалів полірування йoржиковою ПАЩ забезпечило найкращу шорсткість струмопровідних поверхонь та створювало поверхневий наклеп в 1,1...1,8 рази менший за інші інструменти. У порівнянні з іншими типами інструментів при тих самих параметрах та режимах оброблення для ПАЩ значення коефіцієнта загасання були в 1,5...2,7 рази меншими, а значення КСХН – на 5…10 % меншими. Встановлено вплив спрямованості шорсткості струмопровідної поверхні на значення електропараметрів хвилеводів, зокрема, коефіцієнт загасання був менше на 20...50 % при одержанні направлення ліній шорсткості в поперечному перерізі каналу хвилеводу, як при обробленні йоржиковою ПАЩ, в порівнянні з тією ж величиною шорсткості, але вже отриманої уздовж каналу. У четвертому розділі розроблено технологічні рекомендації виготовлення кутових хвилеводів з заміною слюсарних фінішних операцій обробленням на верстаті з ЧПК, розглянуто спеціальне пристосування для встановлення та закріплення хвилеводів. Встановлено, що автоматизація процесу таким чином на трьох типах дослідних хвилеводах дозволила скоротити більше ніж у 5 разів тривалість і 3,7 рази собівартість фінішного оброблення. Описано конструкцію механізованої установки для полірування каналу кутових хвилеводів складної форми, виготовлених зварюванням або паянням хвилеводної труби. Рух інструменту в даній установці здійснювався за копіром. В результаті впровадження механізованого оброблення каналу хвилеводів, повністю була усунена ручна праця, геометрія та шорсткість каналу хвилеводів покращилася. Проаналізовано проблеми виробничого впровадження фінішного оброблення ПАЩ кутових хвилеводів. А саме, автоматичне керування процесом оброблення визиває необхідність дослідження процесу зношення волокон ПАЩ, для своєчасного корегування положення інструменту, визначення умов оброблення, які забезпечують стале помірне зношення, та технологічних обмежень, які запобігають відриву волокон в місці закріплення. Це разом здатне зберегти і подовжити працездатний стан ПАЩ, підвищити продуктивність оброблення на верстатах з ЧПК, зменшити кількість замін щіток. У п’ятому розділі розроблено методику визначення інтенсивності зношення волокон ПАЩ від параметрів оброблення, що безпосередньо впливає на їх працездатний стан, та наведено ескізи зразків для випробувань. Основні дослідження дискової або йоржикової ПАЩ виконувались на плоскошліфувальному верстаті моделі 3Б71М та на вертикально-фрезерному верстаті з ЧПК. В процесі проведення експериментів ПАЩ постійно зважували, масове зношення перераховували в зношення довжини волокон. Визначено вплив властивостей оброблюваного матеріалу на інтенсивність зношення волокон ПАЩ. Встановлено, що на зношення волокон ПАЩ найбільше впливають певні властивості оброблювального матеріалу, швидкість оброблення і натяг, а зернистість і довжина волокна мають менший вплив. Результати замірів зношення волокон ПАЩ при обробленні різних матеріалів показують, що при зміні натягу від 0,5 до 2 мм зношення збільшувалось в 2...3 рази. Встановлено, що при співвідношенні imax≤LВ/10 спостерігалось мінімальне зношення волокон ПАЩ. Інтенсивність зношення суттєво збільшувалась при поєднанні зменшення довжини зі збільшенням діаметра волокна, при цьому мінімальне зношення спостерігалось при співвідношенні LBmin≥dB∙(7…15). Підвищення швидкості оброблення від 6 до 21 м/с викликало збільшення зношення волокон щітки в 5...8 разів. Досліджено причини руйнування волокон в місці закріплення та розроблено пристрій, що дозволяє вимірювати температуру в зоні закріплення волокон щітки. За допомогою запропонованого пристрою була визначена температура волокон в закріпленні, яка не перевищувала 45 ⁰С на інтенсивних режимах роботи, що вдвічі менше граничної температури (85...120 ⁰С) втрати міцності полімерної основи, тому теплової складової, викликаної деформацією волокон в процесі експлуатації, як це передбачалося раніше, недостатньо для руйнування волокон в місці закріплення, і основною причиною є накопичення втоми. Осередком руйнування були абразивні зерна, які порушували суцільність полімерної основи і викликали локальну концентрацію напружень. Проведено натурні дослідження впливу технологічних факторів (режимів та умов оброблення) на циклічну довговічність волокон ПАЩ. Були розроблені технологічні рекомендації вибору геометрії ПАЩ та режимів оброблення кутових хвилеводів.