Статистический анализ размерных цепей ротационных агрегатов сельхозмашин на базе моделирования настроенной размерной обработки их деталей

Качество продукции — наиболее актуальная проблема экономики России, которая стояла как в доперестроечные времена (безуспешно завершенная пятилетка качества), так и в настоящее время, характеризующееся вытеснением отечественных производителей с рынков (не только внешнего, но и внутреннего), свертыванием и ликвидацией производств, не выдерживающих конкуренции в сбыте своей продукции по причине её низкого качества.

Изложенное справедливо для продукции любого назначения, в том числе и для продукции сельхозмашиностроения. Последняя в условиях нашей страны, имеющей значительный сектор сельскохозяйственного производства, характеризуется наиболее массовым спросом и потреблением, и именно поэтому современный кризис отечественного производства сельскохозяйственной техники наиболее ощутим для экономики как отдельных регионов, так и страны в целом. Так, бывший гигант отечественного комбайностроения — завод Ростсельмаш — в настоящее время только начинает выходить из кризиса, и наш рынок зерноуборочных комбайнов и другой сельхозтехники свободен для интервенции зарубежных производителей. Последние не только расширяют сбыт своей продукции в РФ, но и активно создают у нас сборочные производства техники для сельского хозяйства. Примеры томукомбайновые заводы в г. Шахты и г. Краснодаре, построенные совместно с финской и немецкой фирмами, которые уже сейчас, когда только начато производство, создают серьезную конкуренцию заводу Ростсельмаш, обеспечивая выпуск более качественной продукции.

Достоверно установлено, что точность исполнения и монтажа на машине её агрегатов является превалирующим фактором, определяющим практически все показатели качества её функционирования. Ещё на заре становления серийного и массового производства машин их качество связывалось с точностью исполнения деталей, точностью их сопряжений в агрегатах, точностью монтажа агрегатов на машине, отчего принято считать началом постановки и решения проблемы качества машин введение в 1905 г. принципа Ф. Тейлора, положенного в основу управления качеством продукции промышленности и используемого и по сей день. Ф. Тейлор выдвинул идею использования не одной, а двух моделей, которые определяли бы пределы допустимого качества. Для графических моделей (чертежей) это свелось к понятиям нижней и верхней границ допусков, а для моделей «в металле» (шаблонов) — к появлению двух типов калибров: пропускных и непропускных. Им, по существу, был разработан механизм, включающий три функции управления: техническое нормирование качества, контроль за соблюдением норм и административное (экономическое) принуждение к их соблюдению. Нормирование качества осуществлялось конструктором и затем реализовывалось технологамитехнический контроль — соответствующими отделами (ОТК) — административное принуждение — администрацией и службами, определяющими размеры заработной платы, штрафов и удержаний.

Не останавливаясь на последних двух функциях управления качеством, заметим, что требование нормирования точности конструкций при проектировании и реализация этих требований в производстве машин дали толчок бурному развитию теории точности, отдельным разделом которой стала теория расчета размерных цепей, получившая широкое использование в практике создания (проектирование и производство) машин серийного и массового изготовления как средство управления их качеством.

Отечественные ученые внесли весомый вклад в становление и развитие теории точности. Работы Н. А. Бородачева, Н. Г. Бруевича, В. И. Сергеева, В. М. Кован, А. Б. Яхина заложили фундамент этой теории, широко использованный в различных отраслях машиностроения как при конструировании, так и в производстве машин. В отрасли сельхозмашиностроения, имеющей особенности и традиции конструирования и производства машин и их различного рода агрегатов (эти особенности отдельно рассмотрены в п. 1.1.), необходимо отметить разработки П. Ф. Дунаева, Б. Д. Дюсенова, П. В. Полещенко и Г. Г. Чернова. Начиная с 80-х годов 20 в., учение о точности получило развитие в разработках О. А. Полушкина, Г. И. Каныгина и других ученых Донского государственного технического университета, которые создали в нем новое направление — исследование точности ротационных агрегатов машин.

Ротационные агрегаты — объекты настоящего исследованиянаиболее широко используются в конструкциях машин вообще и в сельхозмашинах, в частности. Объясняется это не только соображениями непрерывности технологических процессов, но и их высоким КПД, относительно низкой стоимостью механизмов трансформации энергии и другими достоинствами передач вращения. Именно поэтому в конструкции зерноуборочного комбайна в качестве молотильных агрегатов, битеров, шнеков и других исполнительных органов используются агрегаты ротационного принципа действия (роторы). Это имеет место и в конструкциях других машин, не только сельскохозяйственного назначения.

Работа ротационных агрегатов связана с генерацией значительных по уровням вибраций, что особо заметно у современных сельхозмашин и зерноуборочных комбайнов, поскольку тенденция роста производительности этих машин привела к росту скоростей вращения их роторов. Наряду с погрешностями привода, одним из наиболее существенных источников этих вибраций является неуравновешенность роторов, устранение которой производится при производстве машин балансировкой.

Как обязательная для роторов зерноуборочных комбайнов технологическая операция балансировки стала лишь в начале 60-х годов прошлого века. На заводе Ростсельмаш по предложенным НИИтракторосельхозмаш технологии и оборудованию была введена операция балансировки молотильного барабана комбайна СК-4 и ряда его шкивов. В настоящее время все ротационные агрегаты зерноуборочных комбайнов СК-5, Дон-1500 и его модификаций проходят балансировку в условиях производства. Все это стало возможным благодаря тому, что исследования динамики ротационных агрегатов сельхозмашин и решение связанных с ними вопросов балансировки за отмеченное время претерпели качественный скачок. Результаты этих исследований, которые производились и в РИСХМе (ДГТУ), легли в основу создания как Государственного /12/, так и отраслевых /27,28/ стандартов, использование которых в практике регламентировало не только использование балансировки для ротационных агрегатов сельхозмашин, но и разработку нормативов точности этой операции при решении вопросов конструирования и производства сельскохозяйственной техники.

Отмеченные исследования, как и созданные на их основе нормативные материалы, позволили решать вопросы точности балансировки в отрыве от рассмотрения и учета погрешностей геометрии привода, которые не только влияют на неуравновешенность ротора, но и являются самостоятельным источником вибраций, определяя тем самым уровни показателей качества работы ротационного агрегата сельскохозяйственной машины. Этот недостаток проистекает из того, что современная теория точности предлагает методы анализа и синтеза лишь скалярных (одномерных) размерных цепей, имеющих одно замыкающее звено, определяемое конечным множеством составляющих звеньев. Лишь отдельные исследователи ставят (но не решают) задачу расчета векторных (многомерных) цепей с конечным множеством замыкающих звеньев, каждое из которых определяется конечным множеством составляющих звеньев.

Хотя подробный анализ работ — как отмеченных выше авторов, так и других разработчиков различных аспектов теории точности — предоставлен ниже (п.1), здесь отметим, что основной проблемой, с которой сталкиваются все исследователи, конструкторы и технологи, является низкая надежность и достоверность точностных расчетов агрегатов машин и технологических процессов их изготовления, обеспечиваемая существующими методами анализа и синтеза размерных цепей. Особо остро эта проблема стоит при расчетах размерных цепей ротационных агрегатов машин, которые с совместным учетом как геометрических погрешностей элементов привода ротора, так и инерционных погрешностей, определяющих характеристики его неуравновешенности, становятся сложными многосвязными векторными цепями, методы исследования которых не разработаны.

Изложенное выше обусловило постановку научной цели настоящей работы — разработка и совершенствование методов контроля и управления качеством и эффективностью создания и работы технических средств мехнизации сельского хозяйства путем обеспечкния надежности и достоверности проектных расчетов векторных многосвязных размерных цепей ротационных агрегатов сельхозмашин на базе развития и уточнения существующих теоретических основ этих расчетов. Достижение этой цели является крайне актуальным для решения проблемы управления качеством и конкурентоспособностью этих машин в необходимых для России условиях их серийного и массового производства.

На защиту выносятся полученные результаты решения таких новых научных задач как:

— обоснования нового негауссового закона распределения значений размеров деталей сельхозмашин на основе моделирования точности и управления качеством настроенной размерной обработки этих деталей;

— анализ инерционных размерных цепей роторов с конечным числом локальных дисбалансов, что характерно для сборных конструкий роторов сельхозмашины;

— анализ векторной многосвязной размерной цепи ротационного агрегата сельхозмашины с учетом геометрических и инерционных погрешностей, которые в совокупности можно характеризовать как дальнейшее развитие современной теории точности.

Работа выполнялась в рамках научно-технической Программы П. Т. «Ресурсосберегающие технологии автомобильного и тракторного машиностроения», раздел 2: «Энергои ресурсосберегающие технологии мобильной сельскохозяйственной техники» Минобразования России в 1998;99 гг. и в рамках научно-технической Программы «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий», раздел: «Механика в машинои приборостроении» Минобразования России в 2000 г. Отдельные из представленных здесь результатов получены при выполнении НИР по грантам ТОО-6.1-Ю44, Т02−06.09−260 Минобразования РФ, выделенным ДГТУ для проведения фундаментальных исследований в области технических наук на 2001.2004гг. Тематика работы вкладывается в такие приоритетные направления научных исследований ДГТУ как «Управление качеством изготовления изделий машиностроительного комплекса» и «Проблемы создания машин и технологических процессов агропромышленного комплекса».

Автор приносит большую благодарность коллективу кафедры «Теория механизмов и машин» ДГТУ за помощь и содействие в выполнении исследований и оформлении диссертационной работы.

10. Результаты исследования, гарантированно обеспечивая выполнение существующих нормативов точности исполнения ротационных агрегатов создаваемых сельхозмашин, служат одной из основ подъема эффективности использования этих машин в сельском хозяйстве.