Повышение качества технической подготовки производства высокоточных сопряжений на основе имитационного моделирования трибологических процессов

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. В настоящее время рынок требует постоянного повышения качества высокоточных машиностроительных изделий, что выражается, в первую очередь, в повышении качества исполнения изделиями заданных потребительских свойств. Эта проблема особенно актуальна для классов высокоточных изделий, в составе которых присутствуют миниатюрные опоры скольжения, функционирование которых происходит в условиях сухого и полусухого трения. Поэтому в настоящей работе исследования связаны именно с этим классом изделий. Примерами изделий такого класса являются часы, электрические счетчики, расходомеры, тахометры и другие востребованные современным рынком изделия.

Одним из путей повышения конкурентоспособности этих изделий является реинжиниринг процессов их создания, а для вновь создаваемых изделий — повышение качества технической подготовки производства. Доказано, что до 70 процентов дефектов, проявляющихся на этапе эксплуатации изделия, обусловлены ошибками, заложенными на этапе технической подготовки производства. Большая часть из этих ошибок закладывается на стадии проектирования, поэтому в работе рассматривается именно проектирование изделий рассматриваемого класса.

Качество изделий рассматриваемого класса напрямую связано с характеристиками подвижных триботехнических сопряжений в составе изделия. Как показывает опыт эксплуатации, именно триботехнические сопряжения являются главной причиной выхода из строя машин и приборовхарактеристики этих сопряжений напрямую влияют на функционирование приборов или машин. В настоящей работе решаются задачи прогнозирования эксплуатационных показателей триботехнических сопряжений на этапе проектирования изделия, что позволит выявить их характеристики в заданных условиях эксплуатации, такие как долговечность, характеристики надежности, стабильность момента или силы трения и т. д., при заданном сочетании параметров сопряжения. Прогнозирование эксплуатационных показателей делает возможным проведение подбора такого сочетания назначенных параметров трибосопряжения, которое позволит обеспечить выполнение эксплуатационных показателей, что, в свою очередь, позволит повысить качество технической подготовки его производства. Для рассматриваемого класса сопряжений наиболее существенной является характеристика стабильности момента или силы трения в силу специфических потребительских требований, предъявляемых к изделиям этого класса.

В настоящее время для изделий рассматриваемого класса выбор требуемых свойств поверхностей осуществляется на основании: данных, накопленных в результате наблюдений за эксплуатацией аналогичных изделийопыта и квалификации проектировщика. Обычно эти эмпирические зависимости представляются в виде таблиц, графиков, статистических функций распределения. Однако при проектировании новых изделий эмпирические зависимости либо 5 отсутствуют, либо их получение связано с проведением натурных экспериментов, а следовательно, с высокими затратами. Такая ситуация является характерной для отечественной промышленности.

Одним из путей решения данной проблемы является имитационное моделирование работы триботехнических сопряжений. В настоящее время разработаны и используются различные модели контактного взаимодействия твердых тел. Особое внимание при этом уделяется триаде: модель-алгоритм-вычислительный эксперимент. Такой алгоритмический подход еще не нашел широкого применения при решении некоторых триботехнических задач. Следует также отметить, что потребительское качество используемой модели зависит от того, какие факторы являются необходимыми и достаточными для учета наиболее значимых потребительских характеристик сопряжения и какие учитывает модель. Неоправданное усложнение модели ведет к росту затрат на её формирование, а упрощение — к недостаточной достоверности результатов моделирования.

В настоящей работе решается актуальная задача прогнозирования эксплуатационных показателей триботехнических сопряжений, работающих в условиях сухого и полусухого трения, на основе имитационного моделирования нового типа. Задача решается на примере прогнозирования стабильности момента трения для миниатюрных опор скольжения, работающих в условиях сухого и полусухого трения.

Объект исследования. Процесс проектирования высокоточных сопряжений деталей машин и приборов, работающих в условиях скользящего контакта.

Предмет исследования. Имитационное моделирование эксплуатационных характеристик высокоточных опор скольжения, работающих в условиях сухого и полусухого трения (например, опоры в датчиках расхода воздуха, часовых механизмах и др.).

Цель работы. Разработка метода назначения требований на параметры поверхностей при проектировании высокоточных подвижных сопряжений на основе статистических испытаний имитационных моделей процесса их контактного взаимодействия. Задачи исследования:

1. Анализ и выбор важнейших эксплуатационных характеристик высокоточных подвижных сопряжений, работающих в условиях сухого и полусухого трения, назначение требований к которым не удовлетворяет современным требованиям по качеству проектирования.

2. Обоснование метода моделирования важнейших характеристик высокоточных сопряжений, функционирующих в условиях сухого и полусухого трения, и возможного заклинивания.

3. Разработка методики оценки стабильности момента трения.

4. Разработка программно-математического обеспечения автоматизированного расчета характеристик высокоточных подвижных сопряжений, работающих в условиях сухого и полусухого трения.

5. Оценка степени совпадения эмпирических и расчетных данных, полученных на основании разработанной методики.

Научная новизна работы включает:

1. Новый метод назначения требований на параметры поверхностей на этапе технической подготовки производства высокоточных подвижных сопряжений на основе статистических испытаний имитационных моделей процесса их контактного взаимодействия.

2. Методику автоматизированного прогнозирования момента трения для сопряжения рассматриваемого класса на основе предложенного подхода.

3. Методику автоматизированного моделирования заклинивания в сопряжениях рассматриваемого класса «вал-втулка» типа подшипник скольжения. Практическая ценность. Полученные в работе результаты теоретических исследований и экспериментальных проверок нашли применение при решении задач проектирования высокоточных сопряжений и включают:

• Методику прогнозирования стабильности момента (силы) трения для высокоточных опор скольжения при их автоматизированном проектировании,.

• Методику прогнозирования возможности возникновения заклинивания в опоре скольжения типа «вал-втулка».

Апробация работы.

Результаты работы были представлены на заседаниях ЦМК МГТУ «СТАНКИН», на «Гагаринских чтениях» 1999 г.- на международном семинаре «Проблемы разработки регионально политики в сферах менеджмента качества и экологического менеджмента», проведенном в МГТУ «СТАНКИН» 18−19 апреля 2001 года.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории контактного взаимодействия трибоэлементов с шероховатыми поверхностями, молекулярно-механической теории трения и износа, основных положениях математической статистики. При выполнении работы использовались методы имитационного моделирования.

Основное содержание работы.

Введение

Во введении сформулирована задача, связанная с прогнозированием эксплуатационных показателей высокоточных узлов трения, работающих в условиях сухого и полусухого трения, при технической подготовке их производстваобоснована актуальность работы, приведено краткое содержание глав, а также отражены наиболее важные научные положения.

5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПО РАБОТЕ:

1. В работе доказано, что при проектировании высокоточных сопряжений, работающих в условиях граничной смазки, назначение требований к контактирующим поверхностям должно осуществляться при помощи имитационного моделирования триботехнических процессов.

2. Для оценки стабильности момента трения в сопряжениях рассматриваемого класса целесообразно использовать комплекс «графовых моделей», включающий модель «геометрических связей» и «квазиэнергетический» граф. Оценка стабильности момента трения для этих моделей основана на имитации процесса возникновения и изменения характеристик контактных площадок при работе сопряжения и определения степени стабильности энергетических процессов на основе полученных данных.

3. Созданное программно-математическое обеспечение дает возможность автоматизированной оценки стабильности момента трения, что позволяет на основании проведенной серии статистических испытаний на модели выбрать наилучший набор параметров контактирующих поверхностей в сопряжении.

4. Оценка степени совпадения результатов вычислений и эмпирических данных демонстрирует, что комплекс «графовых моделей» учитывает фрикционные автоколебания, а также рост числа контактных площадок с увеличением воздействующей на сопряжение суммарной силы. Это свидетельствуют о хорошем совпадении расчетных результатов комплекса моделей и теоретико-экспериментальных данных в области трибологии сопряжений рассматриваемого класса. Такое совпадение данных свидетельствует о возможности использования комплекса моделей в практике проектирования.

6. СПИСОК ПЕЧАТНЫХ РАБОТ.

1) Научно-производственный журнал «Автоматизация и управление в машиностроении». Выпуск (№ 12, 2000) «Разработка методики планирования качества сопряжений деталей машиностроения» К.т.н., доцент Круглов М. Г., магистр, аспирант Стержаков О. В. (МГТУ «Станкин», г. Москва, Россия).

2) Научно-производственный журнал «Автоматизация и управление в машиностроении» Выпуск (N17, 2001) Концепция анализа геометрических связей для проектирования изделий машиностроения на основе CALS-технологий. Автор: магистр, аспирант МГТУ «Станкин» Стержаков О. В. Научный руководитель: доцент, к.т.н. Круглов М.Г.

3) Материалы международной научной молодежной конференции по исследованиям фундаментальных проблем освоения космического пространства, создания и эксплуатации аэрокосмической техники «XXVI Гагаринские чтения». Научные труды MATH им. Циолковского, 1999. Вып. 2 (74). «Концепция анализа геометрических связей для проектирования изделий машиностроения на основе CALS-технологий». Автор: Стержаков О. В. Научный руководитель: доцент, к.т.н. Круглов М. Г. — стр. 194, 195.

4) Тезисы докладов международного семинара «Проблемы разработки региональной политики в сферах менеджмента качества и экологического менеджмента», 18−19 апреля 2001 г., Москва, Россия. — стр. 70−74.