Підвищення ефективності виготовлення деталей пружних муфт

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування (13 – механічна інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. Дисертацію присвячено вирішенню науково-практичної задачі захисту поверхонь деталей пружних муфт (ПМ) від фретингового зношування з метою підвищення довговічності виробу в цілому. У вступі обґрунтовано актуальність теми роботи. Визначено мету і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення якості поверхневих шарів деталей пружної муфти і їх елементів, шляхом спрямованого вибору найбільш перспективних технологічних методів їх формування з урахуванням існуючих аналогів, досвіду промисловості й рекомендацій у вітчизняній і закордонній літературі. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання: - розробити систему спрямованого вибору технології, що забезпечує необхідні параметри якості поверхневих шарів деталей ПМ; - провести аналіз існуючих вітчизняних і закордонних методів захисту деталей машин від зношування і на його підставі удосконалити методи підвищення якості поверхонь сполучення "півмуфта-вал", гнучких елементів і кріпильних деталей від фретинг-корозії (Ф-К); - провести аналіз напружено-деформованого стану гнучких елементів пружної муфти, з метою отримання їх геометричних та деформаційних параметрів осередку деформації; - розробити процедуру вибору раціональної технології забезпечення необхідних експлуатаційних властивостей робочих поверхонь деталей ПМ, що дозволяє створити мінімізований за критерієм собівартості з урахуванням екологічної безпечності технологічний процес нанесення функціональних покриттів. - провести розрахунки економічної ефективності розробленої технології підвищення довговічності ПМ і впровадити її у виробництво. Об'єкт дослідження – технологічні процеси формування захисних покрить поверхневих шарів стальних деталей машин від Ф-К. Предмет дослідження – закономірності утворення захисних покрить поверхневих шарів стальних деталей ПМ, які утворюють конструктивно різні трибоспряження, від Ф-К. У першому розділі виконаний аналіз проблем підвищення зносостійкості деталей ПМ. Наведено загальні відомості про пружні муфти, розглянуті їхні конструктивні особливості, галузі застосування, матеріали і види руйнувань. Розглянуто технологічні методи підвищення зносостійкості робочих поверхонь деталей ПМ. У другому розділі були розроблені система й критерії спрямованого вибору технології забезпечення необхідної якості поверхонь деталей ПМ шляхом аналізу і синтезу існуючих аналогів, досвіду промисловості та рекомендацій у вітчизняній і зарубіжній літературі. Показано, що термін експлуатації ПМ лімітується довговічністю пакета ГЕ, яка в свою чергу визначається фретингостійкістю (Ф-С) окремих пластин. Встановлено три стадії руйнування ГЕ. Створено математичну модель їх фретингового зносу. В третьому розділі виконано аналіз напружено-деформованого стану ГЕ пружної муфти. Проведено оцінку сили тиску між пластинами і відносні зміщення контактуючих точок при передачі муфтою навантаження, які є однією з причин Ф-К. Проведений аналіз напружено-деформованого стану пакету гнучких елементів дозволив визначити основні чинники, що впливають на контактний тиск між пластинами, величини енергетичних втрат на тертя та деформацію пакета. Встановлено, що основними чинниками, що зумовлюють знос пластин внаслідок тертя, є згинаючі сили, викликані неточністю з'єднуваних муфтою валів і поздовжньо-поперечним згином від колової сили. На підставі проведених досліджень сформульовані рекомендації щодо підвищення фретингостійкості ГЕ. У четвертому розділі приведені результати дослідження параметрів якості деталей ПМ. Досліджено вплив амплітуди й частоти деформації ГЕ, на Ф-К. Для підвищення стійкості ГЕ від Ф-К запропоновано новий спосіб. Його особливістю є те, що перед складанням на поверхні сполучених пластин наносять МММ, який складається з парафіну, порошків міді та дисульфіду молібдену. Встановлено, що найбільш раціональним процентним вмістом металоплакуючих присадок, є 5-25 вагових відсотків. З метою реалізації способу захисту пресового з'єднання від Ф-К, на контактуючі поверхні деталей сполучення "півмуфта-вал" запропоновано поетапне нанесення комбінованого електроіскрового покриття. Проведено дослідження впливу епіламування на фретингостійкість кріпильних деталей ПМ. У п'ятому розділі наведено дані про промислове впровадження результатів дослідження. Визначено вплив способів підвищення якості поверхонь деталей на механічні властивості їх матеріалів. Виконано розрахунки критеріїв рівняння зношування ГЕ пружної муфти при Ф-К. Отримані результати дозволяють прогнозувати їх довговічність в умовах промислової експлуатації. Запропонована процедура вибору раціональної технології забезпечення необхідних експлуатаційних властивостей робочих поверхонь деталей ПМ, що дозволяє створити мінімізований за критерієм собівартості технологічний процес нанесення функціональних покриттів. Розроблені технологічні методи підвищення якості поверхневих шарів деталей трибоспряжень ПМ позитивно відрізняються екологічною безпекою, низькою собівартістю, енергозбереженням, що лягли в основу створення нової технології. Наукова новизна одержаних результатів: 1. Вперше розроблена система цілеспрямованого вибору технології виготовлення ПМ роторних машин, що дозволяє формувати контактуючі поверхні деталей трибоспряжень: "вал-півмуфта", гнучких елементів і кріпильних деталей із заданими експлуатаційними властивостями. 2. Вперше запропонована фізично обґрунтована математична модель (рівняння зношування) процесу зношування ГЕ пружної муфти при Ф-К, що дозволяє по роботі тертя визначати зношування, виражене зміною шорсткості поверхні. 3. Одержала подальший розвиток методика визначення констант рівняння зношування при Ф-К поверхонь тертя ГЕ, які можуть служити критеріями для вибору раціональних технологій підвищення якості їх поверхневих шарів. 4. Вперше на підставі проведених досліджень напружено-деформованого стану гнучких елементів муфти типу МСК, вирішено задачу про їх поздовжньо-поперечний згин, а також дана порівняльна оцінка їх прогинів від поздовжньо-поперечного згину і сили, зумовленої неспіввісністю з'єднаних валів. Практичне значення отриманих результатів полягає у розробці технологій підвищення якості поверхневих шарів деталей пружних муфт і їх елементів, яка практично реалізована в виробництво з річним економічним ефектом 477 тис. грн.Thesis for granting the Degree of Candidate of Technical sciences in specialty 05.02.08 - Manufacturing Engineering (13 - mechanical engineering). - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2021. The dissertation is devoted to the scientific and practical problem decision of elastic couplings (EC) parts surfaces protection against fretting wear for the purpose of a product durability increase as a whole. The introduction substantiates the relevance of the topic of work. The purpose and tasks of research are defined. The aim of the work is to improve the quality of surface layers of elastic coupling parts and their elements by directing the most promising technological methods of their formation taking into account existing analogues, industry experience and recommendations in domestic and foreign literature. To achieve this goal it is necessary to solve the following tasks: - to develop a system of directed choice of technology that provides the necessary quality parameters of the surface layers of EC parts; - to analyze the existing domestic and foreign methods of protection of machine parts from wear and on its basis to improve methods of improving the quality of the surfaces of the connection "half-coupling-shaft", flexible elements and fasteners from fretting corrosion (FC); - to analyze the stress-strain state of the flexible elements of the elastic coupling, in order to obtain their geometric and deformation parameters of the deformation center; - to develop a procedure for selecting a rational technology to ensure the necessary performance properties of the working surfaces of EC parts, which allows you to create a minimized cost criterion, taking into account environmental safety, the technological process of applying functional coatings. - to calculate the economic efficiency of the developed technology to increase the durability of EC and implement it in production. The object of research - technological processes of formation of protective coatings of surface layers of steel parts of machines from FC. The subject of research is the regularities of formation of protective coatings of surface layers of steel parts of EC, which form structurally different tribocouples, from FC. In the first section the analysis of EC parts wear resistance increase problems is executed. General information about elastic couplings is given, their design features, areas of application, materials and types of fractures are considered. Technological methods of the EC parts working surfaces wear resistance increasing are considered. In the second section developed the system and criteria of the EC parts surfaces necessary quality maintenance technology directed choice by the analysis and synthesis of existing analogues, experience of the industry and recommendations in domestic and foreign literature were. It is shown that the service life of EC is limited by the durability of the flexible elements (FE) set, which in turn is determined by the fretting resistance (FR) of individual plates. Three stages of FE destruction have been identified. A mathematical model of their fretting wear is created. In the third section, the analysis of the stress-strain state of the FE of the elastic coupling is performed. The strength of the pressure between the plates and the relative displacements of the contact points during the transfer of the clutch load, which is one of the causes of FC. The analysis of the stress-strain state of the flexible elements set is allowed to determine the main factors influencing the contact pressure between the plates, the magnitude of energy losses due to friction and deformation of the sets. It is established that the main factors that cause the wear of the plates due to friction are the bending forces caused by the inaccuracy of the shafts connected by the coupling and the longitudinal-transverse bending of the circular force. On the basis of the conducted researches recommendations on increase of fretting resistance of FE are formulated. The fourth section presents the results of the EC parts quality parameters study. The influence of the amplitude and frequency of FE deformation on FC was investigated. A new method has been proposed to increase the stability of FE from FC. Its peculiarity is that before assembly on the surface of the connected plates is applied MMM, which consists of paraffin, copper powders and molybdenum disulfide. It is established that the most rational percentage of metal-plating additives is 5-25 weight percent. In order to implement the method of protection of the press connection from FC, on the contact surfaces of the parts of the connection "half-coupling-shaft" proposed a step-by-step application of a combined electrospark coating. The influence of epilation on the fretting resistance of EC fasteners has been studied. The fifth section provides data on the industrial implementation of the study results. The influence of ways to improve the quality of surfaces of parts on the mechanical properties of their materials is determined. Calculations of the criteria of the FE wear equation of the elastic coupling at FC are performed. The obtained results allow to predict their durability in the conditions of industrial operation. Offered the procedure of rational maintenance technology choice of necessary operational properties of EC parts working surfaces, that allows to create the technological process of drawing functional coverings minimized on a cost criterion. The developed technological methods of the EC tribocouples parts surface layers quality improving are positively distinguished by environmental safety, low cost, energy saving, which formed the basis for the creation of new technology. Scientific novelty of the obtained results: 1. For the first time is developed the system of rotary machines EC manufacturing technology directed choice, that allows to form three-couplings parts contact surfaces: "shaft-half coupling", flexible elements and fastening parts with the set operational properties. 2. For the first time a physically substantiated mathematical model (wear equation) of the wear process of the FE of the elastic coupling at FC is proposed, which allows to determine the wear expressed by the change of surface roughness by the work of friction. 3. The method of determining the constants of the wear equation at FC friction surfaces of FE, which can serve as criteria for choosing rational technologies to improve the quality of their surface layers, was further developed. 4. For the first time on the basis of studies of the stress-strain state of flexible elements of the coupling type MSK, solved the problem of their longitudinaltransverse bending, as well as a comparative assessment of their deflections from longitudinal-transverse bending and force due to misalignment of connected shafts. The practical significance of the obtained results lies in the development of technologies to improve the quality of the surface layers of the parts of elastic couplings and their elements, which is practically implemented in production with an annual economic effect of 477 thousand UAH.