Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ И РЕАЛИЗАЦИЯ СТРУКТУРНО УПОРЯДОЧЕННОЙ СБОРКИ БУРОВЫХ ДОЛОТ

ЖУРАВЛЕВ А.Н.

Самара 2009

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования (ГОУ ВПО) «Самарский государственный технический университет».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор РЫЛЬЦЕВ Игорь Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ГУСЕВ Алексей Алексеевич доктор технических наук, профессор Демин Феликс Ильич доктор технических наук, профессор ЖИТНИКОВ Юрий Захарович

Ведущая организация: ОАО “Сарапульский машзавод”, г. Сарапул

Защита состоится «28» декабря 2009 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.217.02 в ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская, 141, корпус № 6, ауд. 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет».

Автореферат разослан «____ » ____________________ 2009 г.

Просим Вас принять участие в обсуждении работы и направить свой отзыв, заверенный гербовой печатью, по адресу:

443100, г.Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д212.217.02.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д212.217.02 А.Ф. Денисенко

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Известно, что в современном машиностроении одним из наиболее существенных резервов повышения качества изделий является совершенствование процессов сборки, трудоемкость которых в производстве (25…40% от общих трудозатрат) сопоставима с трудоемкостью механообработки и существенно выше, чем затраты труда на других технологических этапах. В результате сборки получают готовое изделие, которое по определению должно отвечать технологическим и эксплуатационным требованиям. Современная теория сборки предусматривает множество методов обеспечения технологических требований (методы полной, неполной, групповой взаимозаменяемости, метод регулировки и др.), заключающихся преимущественно в реализации заданной геометрической точности соединений, силового замыкания, качества прилегания поверхностей и др. Однако связь параметров сборки с эксплуатационными требованиями к надежности функционирования изделий, до сих пор остается малоизученной, но весьма перспективной областью исследований, позволяющей реализовать систему управления сроком службы изделий на этапе их изготовления.

Известно, что проектирование рационального технологического процесса сборки представляет собой трудную задачу по ряду причин: многокритериальности проектирования, многовариантности и разнородности сборочных операций, отсутствия четких алгоритмов структуризации процесса сборки. Среди известных абсолютных и относительных критериев технико-экономической оценки различных вариантов технологических процессов сборки (по трудоемкости, себестоимости, длительности цикла, числу сборщиков и др.) отсутствуют критерии, связанные с показателями качества изделий при эксплуатации.

Для решения проблемы многовариантности сборки начинают широко применяться компьютерные исследования размерных связей с применением имитационных моделей собранных изделий. Но даже в тех частных случаях, когда компьютерная разработка сборочных процессов осуществляется на высоком уровне, как, например, с помощью программного пакета AVEVA Assembly Planning 12.0, остаются проблемы отсутствия связи между структурой сборочного процесса и ресурсом изделий.

Известно, что при разработке технологических процессов сборки целесообразно использовать принцип дифференциации, позволяющий разделить изделие на простейшие элементы (сборочные единицы), а сложные сборочные операции на более простые. Такой подход позволяет упростить процесс сборки и выявить его структуру, но не дает знаний о характере взаимодействия между элементами структуры и, как следствие не обеспечивает стабильных показателей качества изделий. В то время как упорядоченное расположение сборочных единиц позволяет добиваться взаимной компенсации их погрешностей в собираемом изделии.

Вышеотмеченные актуальные проблемы послужили предпосылкой для разработки новой методологии сборочных процессов, которая в работе представлена на примере создания и реализации технологий структурно упорядоченной сборки (СУС) трехшарошечных и алмазных буровых долот - сложных, высоконагруженных, серийно выпускаемых изделий, для которых в настоящее время основным приоритетом является повышение конкурентоспособности на мировом рынке. В новой технологии для каждого этапа сборки на основе анализа обратных связей с выходными характеристиками изделий оцениваются рациональные технологические параметры, обеспечивающие максимальные показатели качества буровых долот.

Работа выполнена в рамках тематического плана Самарского государственного технического университета по заданию Федерального агентства по образованию на 2006 - 2009 гг. по теме «Разработка теоретических основ структурно упорядоченной сборки тяжелонагруженных изделий машиностроения», номер государственной регистрации НИР 01200606882.

Целью диссертационной работы является повышения качества трехшарошечных и алмазных буровых долот на основе разработки и реализации структурно упорядоченной сборки.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методологию структурно упорядоченной сборки буровых долот.

2. Разработать метод структуризации буровых долот и выявить связи между элементами структуры.

3. Разработать математическую модель, связывающую ресурс двухрядной роликовой опоры трехшарошечного бурового долота с технологическими параметрами структурно упорядоченной сборки.

4. Разработать совокупность расчетных моделей, связывающих точность взаимного расположения поверхностей сопрягаемых деталей алмазных буровых долот с технологическими параметрами структурно упорядоченной сборки.

5. Разработать стратегии, алгоритмы и программное обеспечение структурно упорядоченной сборки трехшарошечных и алмазных буровых долот.

6. Разработать и внедрить технологии структурно упорядоченной сборки буровых долот в производство и оценить технико-экономические показатели результатов внедрения.

Методология и методы исследований

Общей методологической основой является системный подход, заключающийся в структурном разделении сложных механических систем на подсистемы, их моделировании, описании и установлении взаимосвязей между ними, характеризующих служебное назначение изделия. Теоретические исследования проводились на базе научных основ технологии машиностроения, теории декомпозиции, теории упаковок, методов вычислительной математики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях на современном оборудовании с применением стандартных методик и методик, разработанных автором.

Достоверность результатов

Достоверность изложенных в работе результатов и адекватность разработанных моделей обеспечиваются строгостью использованного математического аппарата, корректностью обработки экспериментальных данных, удовлетворительной корреляцией результатов расчетов и данных, полученных при испытаниях.

Основные положения, выносимые на защиту

Предмет исследований

Объект исследований

Личный вклад автора

Достоверность

Научная новизна

· Впервые разработана методология СУС, в которой устанавливается связь между показателями качества изделия и параметрами, характеризующими его структуру, выявленными на основе декомпозиции изделия. При этом качество изделия обеспечивается направленным регулированием структурных параметров сборки.

· Впервые обосновано, что для реализации СУС буровых долот необходимо и достаточно использование двухуровневой декомпозиции для подвижных и неподвижных соединений буровых долот: по контурам, так называемая Р - декомпозиция (внутренний, взаимосвязанный и внешний контуры); по зонам, так называемая F - декомпозиция (зоны - натягов, зазоров, переходных состояний).

· Произведена двухуровневая декомпозиция подвижных соединений трехшарошечных буровых долот, на основе которой установлены функциональные взаимосвязи между геометрическими параметрами элементов двухрядных роликовых опор и определены параметры модели, характеризующие структуру изделия.

· Разработана математическая модель двухрядных роликовых опор трехшарошечных буровых долот, позволяющая выявить рациональные сборочные параметры по критерию максимального ресурса собранного узла.

· Впервые на основе метода монад сформулирован принцип повышения качества СУС двухрядной роликовой опоры за счет выбора рационального фазового смещения двух комплектов роликов.

· Впервые найден параметр, характеризующий контактное взаимодействие роликов с беговыми дорожками во всех зонах двухрядной роликовой опоры трехшарошечных буровых долот, позволивший выявить зону заклинивания роликов в опоре.

· Проведена двухуровневая декомпозиция неподвижных соединений алмазных буровых долот, на основе которой установлены связи между технологическими воздействиями сборки (силовыми и тепловыми) и отклонением от соосности соединения.

· На основе выявленных связей между технологическими сборочными параметрами и ресурсом двухрядных роликовых опор разработан алгоритм СУС трехшарошечных буровых долот, обеспечивающий равнонагруженность секций (опор) на основе регулирования высоты их подъема.

· Разработаны имитационные модели эксплуатации буровых долот, позволяющие оценить преимущества СУС по сравнению с традиционными сборочными процессами.

Практическую ценность представляют следующие результаты:

· Разработаны и внедрены новые технологии сборки трехшарошечных и алмазных буровых долот, обеспечившие повышение качества изделий. Показаны области рационального применения новых технологий. Это относится к пятой задаче

· Разработаны стратегии, алгоритмы и программное обеспечение для этапов проектирования и осуществления процессов СУС буровых долот.

· Разработаны приспособления для реализации СУС трехшарошечных и алмазных буровых долот. Это относится к четвертой задаче

Новизна предложенных способов и устройств СУС подтверждена 5 патентами РФ.

Основные положения, выносимые на защиту

· Методология СУС трехшарошечных и алмазных буровых долот.

· Метод идентификации структурных параметров расчетных моделей, разработанный на основе теории декомпозиции.

· Математическая модель для прогнозирования ресурса двухрядной роликовой опоры трехшарошечного бурового долота, позволяющая выявить рациональные технологические параметры .

· Совокупность расчетных моделей для выбора рациональных технологических параметров СУС, позволяющих повысить точность взаимного расположения соединяемых поверхностей деталей алмазных буровых долот.

· Алгоритм СУС трехшарошечных буровых долот, позволяющий обеспечить равнонагруженность всех секций изделия.

· Алгоритмы, стратегии и программное обеспечение, необходимые для реализации СУС буровых долот.

· Имитационные модели эксплуатации трехшарошечных и алмазных буровых долот, разработанные на базе программного продукта ADAMS, позволяющие оценить влияние технологических параметров СУС на эксплуатационные параметры собранных изделий.

· Результаты опытно-промышленных испытаний и внедрения в производство разработанных технологий СУС трехшарошечных и алмазных буровых долот.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы внедрены на ряде крупных машиностроительных предприятий России и стран ближнего зарубежья, среди которых ОАО “Волгабурмаш” (Россия), ОАО “Уралбурмаш” (Россия), ЗАО “Самарский подшипниковый завод-4” (Россия), ООО “Буровые технологии” (Россия), ОАО “Дрогобычский долотный завод” (Украина), ОАО “Подшипник” (Узбекистан).

Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 885 500 рублей.

Материалы исследований внедрены в учебный процесс Самарского государственного технического университета в виде двух учебных пособий и учебно-методических указаний. Результаты диссертационной работы используются при подготовке магистрантов, бакалавров и инженеров, а также при подготовке аспирантами кандидатских диссертаций.

Личный вклад автора

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, приведенных в данной работе получены автором самостоятельно. Автору принадлежат постановка проблемы и задач исследований, выбор методик проведения экспериментов, научное руководство и непосредственное участие в экспериментах, обработка полученных результатов, написание статей, докладов и описаний к изобретениям, непосредственное выполнение промышленных испытаний и внедрение в производство научных разработок.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на 28 международных и всероссийских научно-технических конференциях: “Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин”, г. Самара, 2003г.; “Интеллектуальные системы управления и обработки информации”, г. Уфа, 2003г.; “Будущее технической науки”, г. Н.-Новгород, 2004г.; “Динамика технологических систем”, г. Саратов, 2004г.; “Современные проблемы машиностроения”, г. Томск 2004, 2006, 2008 гг.; “Высокие технологии в машиностроении”, г. Самара, 2004, 2005, 2006, 2007гг.; “Наука. Технологии. Инновации”, г. Новосибирск, 2005г.; “Обеспечение и повышение качества машин на этапах их жизненного цикла”, г. Брянск, 2005г.; “Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении”, г. Тюмень, 2005, 2008гг.; “Инфокоммуникационные технологии в науке и технике”, г. Ставрополь, 2006г.; “Инновации в науке и образовании”, г. Калининград, 2006г.; “Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы”, г. Сызрань, 2007, 2008, 2009гг.; “Проблемы управления качеством в машиностроении”, г. Махачкала, 2007г.; “Актуальные проблемы трибологии”, г. Самара, 2007г.; “Наука и образование 2007”, г. Мурманск, 2007г.; “Проблемы качества машин и их конкурентоспособности”, г. Брянск, 2008г.; “Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании”, г. Ставрополь, 2008г.; “Вибрация-2008”, г. Курск, 2008г.; “Инноватика-2008”, г. Ульяновск, 2008г.; “Инноватика-2009”, г. Ульяновск, 2009г.

В полном объеме диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры “Технология машиностроения” Ковровской государственной технологической академии; на заседании научно-технического совета факультета машиностроения и автомобильного транспорта Самарского государственного технического университета.

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 75 печатных работ, в том числе монография, изданная в центральном издательстве “Машиностроение-1”, два учебных пособия, одно из которых с грифом УМО (МГТУ СТАНКИН), 20 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, одна статья в рецензируемом издании, рекомендованном ВАК Украины, получено 5 патентов на изобретение.

Под научным руководством автора и по теме диссертационной работы подготовлена и защищена одна кандидатская диссертация.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 260 наименований и 8 приложений. Работа содержит 427 страниц, в том числе 307 страниц основного текста, включая 115 рисунков и 48 таблиц, а также приложений на 120 страницах.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, приведена ее краткая характеристика, сформулированы цель работы, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится анализ современного состояния теории и практики процессов сборки.

Проблеме повышения качества изделий на этапе сборки, включающие подвижные и неподвижные соединения, посвящены работы профессоров Балакшина Б.С., Базрова Б.М., Буловского П.И., Воронина А.В., Гусева А.А., Демина Ф.И., Дальского А.М., Жабина А.И., Житникова Ю.З., Колесова И.М., Корсакова В.С., Лебедовского М.С., Непомилуева В.В., Новикова М.П., Рыльцева И.К., Соколовского А.П., Штрикова Б.Л. и др. Благодаря их исследованиям были выявлены основные взаимосвязи технологических параметров сборки с выходными характеристиками изделий машиностроения.

Причина малой эффективности традиционных методик и алгоритмов сборки подвижных и неподвижных соединений, базирующихся на пяти общепринятых методах достижения точности замыкающего звена, связана с тем, что в настоящее время исследования сборочных процессов ограничиваются размерным анализом, в то время как на этапе сборки завершается формирование эксплуатационных свойств изделий и появляется возможность прогнозировать показатели их качества. Однако в настоящее время не существует алгоритмов и методик сборки, учитывающих взаимосвязи геометрических характеристик и параметров функционирования подвижных и неподвижных соединений, нет и методологии разработки таких сборочных процессов. Общая методология разработки сборочных процессов должна опираться на системный подход, требующий выявления связей между выходными показателями и технологическими параметрами, зависящими от структуры собираемого изделия, и разработки методик направленного регулирования (упорядочивания) структурных параметров подвижных и неподвижных соединений, обеспечивающего повышение качества изделия в процессе сборки.

При нахождении связей между технологическими параметрами сборки и выходными показателями изделий целесообразно использовать принцип различимой конструктивной симметрии, предложенный проф. Рыльцевым И.К., согласно которому каждому варианту сборки подвижного соединения ставятся в соответствие прогнозируемые значения выходного параметра изделия, с учетом индивидуальных свойств сопрягаемых деталей. В настоящее время не существует расчетных моделей, отражающих такие связи с учетом структуры собираемых изделий.

На данном этапе развития машиностроительной науки возникла необходимость и возможность обобщения существующих методов сборки, а также создания и всестороннего научного и технико-экономического обоснования новой методологии СУС изделий машиностроения (на примере буровых долот), основанной на разделении изделий на подсистемы (элементы структуры), а также изучении и моделировании структурных связей между ними.

На основе вышеизложенного была поставлена цель и сформулированы задачи исследований.

Во второй главе разработаны теоретические аспекты методологии СУС сложных изделий машиностроения, которые реализованы на примере буровых долот.

В основе концепции СУС лежат следующие положения.

1. Сложное изделие представляется эквивалентной совокупностью более простых сборочных объектов, связи между которыми описываются обобщенными структурными параметрами.

2. Существуют функциональные связи между структурными параметрами и показателями качества изделия, выражаемые в виде расчетных моделей.

3. На основе математического анализа выявляются рациональные структурные параметры изделия путем исключения множества неперспективных вариантов сборок по критерию рационального значения выходного параметра.

4. В процессе сборки реализуется рациональная структура, обеспечивающая повышение качества изделий.

Применительно к трехшарошечным и алмазным буровым долотам вышеприведенная концепция СУС может быть представлена в виде схемы, показанной на рис. 1.

Рис. 1. Концепция СУС буровых долот

Указанные на рис. 1. обозначения включают: методы (ПВ - полной взаимозаменяемости; НП - неполной взаимозаменяемости; ГВ - групповой взаимозаменяемости; ПР - пригонки; РГ - регулировки); методики (СУС - структурно упорядоченная сборка; ЧУС - частично упорядоченная сборка; НС - неупорядоченная сборка); стратегии (СлучП - случайного поиска; СлепП - слепого поиска; НП - направленного поиска); параметры деталей (- диаметры соответственно больших и малых роликов; - радиусы соответственно большой и малой роликов дорожек шарошки и цапфы лапы; - радиус торцовых поверхностей деталей; - шаг резьбы); параметры неподвижных соединений (- объем зазора в торцовом соединении; - жесткость соответственно резьбового и торцового соединений; - размер прихватки); параметры подвижных соединений (- параметр, характеризующий контактные взаимодействия роликов в опоре; - плотность упаковки роликов; - жесткость двухрядной роликовой опоры); выходные параметры изделий (- расчетный ресурс; - отклонение от соосности); интегральные технологические параметры ( - фазовый угол смещения комплектов роликов; - соответственно суммарный зазор в комплекте роликов и суммарный диаметральный зазор в соединении; - размер компенсирующего звена; - объем незавершенного производства при комплектовании роликов; - момент затяжки соединения; - угол поворота корпуса при затяжке соединения).

Для реализации отмеченных положений при разработке методологии СУС потребовалось привлечение новых понятийного и математического аппаратов. Так, для структуризации сложных изделий впервые применена геометрическая теория декомпозиции. В теории декомпозиции рассматривают P - декомпозиции и F-декомпозиции. В разработанных теоретических аспектах СУС P- декомпозиция - это такое семейство контуров, по которым изделие восстанавливается единственным образом (контурная декомпозиция). Наличие такой декомпозиции означает, что механическая система "распадается" на независимые в некотором смысле подсистемы, из которых она "составляется" как из "кубиков". Контуры представляют собой замкнутое структурно функциональное множество парных взаимодействий деталей. Направление обхода контура формирует путь передачи технологической информации от выхода одного соединения к входу другого с ним связанного. Таким образом, сборочный процесс по контурам строится с учетом привязки контура к системе отсчета, направленности и связанности контуров. F- декомпозиция в методологии СУС - это семейство зон, различающихся характером контактного взаимодействия деталей в соединениях (зонная декомпозиция). Общая схема декомпозиции применительно к СУС буровых долот приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема декомпозиции соединений

Положение о существовании функциональных связей между структурными параметрами и показателями качества изделия строится на принципе различимой конструктивной симметрии, допускающей эквивалентные преобразования объектов сборки. При разработке СУС эти связи выражаются в виде многопараметрических расчетных моделей, позволяющих однозначно оценить выходные параметры изделий и с использованием полученных данных установить рациональные технологические параметры сборки. Для этого необходимо использовать расчетные модели, обладающие наибольшей прогностической способностью к искомым выходным параметрам и усовершенствовать их путем введения в них параметров, характеризующих структуру собираемого изделия.

Выбор рациональной структурной схемы сборки делает сборочный процесс управляемым, что исключает случайное расположение деталей в соединении, присущее любому неупорядоченному процессу сборки. Включение в сборочный процесс обратных связей между выходными и структурными параметрами, позволяет осуществлять их направленное регулирование, обеспечивающее повышение качества изделий. Реализация СУС для подвижных и неподвижных соединений ввиду их отличительных особенностей требует создания различных алгоритмов и методик, на основе которых разрабатываются технологии сборки с учетом индивидуальных особенностей изделий.

В третьей главе рассмотрено применение методологии СУС к разработке методики сборки подвижных соединений трехшарошечных буровых долот на примере сборки двухрядных роликовых опор, являющихся ответственными узлами, лимитирующими долговечность долот.

Методика НС с использованием моноструктурного способа селекции (т.е. при произвольном комплектовании роликов из одной селективной группы из трех), применяемая до настоящего времени в условиях действующего производства роликовых опор, не обеспечивает стабильного показателя качества (технического ресурса) и не позволяет прогнозировать ресурс в процессе сборки долот. Перспективным направлением совершенствования данного процесса сборки является применение методики СУС.

С применением теории декомпозиции в конструкциях двухрядных роликовых опор трехшарошечных буровых долот были выявлены три типа контуров, включая два внутренних А1; А2, один взаимосвязанный Б и один внешний В контуры. Схема контурной декомпозиции с описанием контурных связей представлена на рис. 3.

Внутренние контуры A1 и А2, формируются при комплектовании роликов и установке их соответственно на большой роликовой дорожке (БРД) и малой роликовой дорожке (МРД) опор (см. рис. 3, п.1). Локальной координатой отсчета в них служит первый ролик (метка). Взаимосвязанный контур Б объединяет между собой внутренние контуры A1 и А2 (см. рис. 3, п.2), и характеризует их взаимодействие, опосредованное через цапфу. Для контура Б по меткам устанавливают параметр угловых ориентаций собранных комплектов. Внешний контур В рассматривает взаимосвязи между двухрядной роликовой опорой и породоразрушающими зубками, передающими в опору циклы внешних сил.

Рис. 3. Контурная декомпозиция (Р-декомпозиция) двухрядных роликовых опор:

1 - подвижная деталь опоры - шарошка; неподвижная деталь опоры - цапфа; 3 - ряд больших роликов; 4 - ряд малых роликов; 5 - режущие зубки;

б - угол зоны в опоре (Н- натягов, П1, П2 - переходных состояний, З - зазоров);

С(к), С(p) - циклы роликов в комплектах

При этом должен выполняться принцип постоянства системы отсчета на всех этапах сборки роликовых опор. Такой алгоритм СУС суммирует пространственные отклонения реальных профилей подвижных деталей с учетом выбранной компоновочной схемы и позволяет моделировать взаимодействия соединений с заданным уровнем вероятности безотказной работы изделий.

В исследованиях не учитывается шариковый ряд, т.к. шарики не воспринимают эксплуатационной нагрузки, а служат в опоре замковым элементом, предотвращающим выпадение шарошки.

Управляемым параметром СУС двухрядных роликовых опор выбрана последовательность действительных диаметров роликов d для МРД и D для БРД - m-структура. Рассмотрено 36 вариантов m-структур размерных компоновок роликов из трех селективных групп, соответствующих максимальным (Dmax, dmax), средним (Dsr, dsr) и минимальным (Dmin, dmin) диаметральным размерам роликов с учетом их допуска. Каждому номеру m-структуры для двух комплектов роликов соответствует свой базисный цикл С(к), С(p) (см. рис. 3, п.3), представленный в табл. 1.

Таблица 1 Варианты m-структур размерных компоновок роликов СУС (фрагмент)

№ п/п	Варианты m-структур	№ п/п	Варианты m-структур
1	(Dmax, Dmin, Dsr,)…/(dmax, dmin, dsr),…	8	(Dmin, Dsr, Dmax,)…/(dmax, dmin, dsr,)…
2	(Dmax, Dmin, Dsr,)…/(dmax, dsr, dmin,)…	9	(Dmin, Dsr, Dmax,)…/(dmax, dsr, dmin,)…
3	(Dmax, Dmin, Dsr,)…/(dmin, dmax, dsr,)…	10	(Dmin, Dsr, Dmax,)…/(dmin, dmax, dsr,)…
4	(Dmax, Dsr, Dmin,)…/(dsr, dmax, dmin,)…	11	(Dsr, Dmax, Dmin,)…/(dsr, dmax, dmin,)…
5	(Dmax, Dsr, Dmin,)…/(dsr, dmin, dmax,)…	12	(Dsr, Dmax, Dmin,)…/(dsr, dmin, dmax,)…
6	(Dmin, Dmax, Dsr,)…/(dmax, dmin, dsr,)…	13	(Dsr, Dmin, Dmax,)…/(dmax, dmin, dsr,)…
7	(Dmin, Dmax, Dsr,)…/(dmax, dsr, dmin,)…	14	(Dsr, Dmin, Dmax,)…/(dmax, dsr, dmin,)…

Роликовые опоры в процессе эксплуатации воспринимают внешнюю нагрузку на ролики с различной степенью интенсивности. Условия контакта в пределах базисного цикла в основном характеризуются силовым фактором, воздействующим на цилиндрические поверхности роликов при качении. В подвижном соединении роликовой опоры с помощью F - декомпозиции выявлены четыре зоны взаимодействий роликов во время эксплуатации рис. 4.

Рис. 4. Зонная декомпозиция ( F-декомпозиция) двухрядных роликовых опор

Максимальная интенсивность внешнего силового воздействия Р, создающего натяг между подвижными и неподвижной деталями опоры, приходится на сектор обращенный к забою - зону натягов. Слева и справа от этой зоны расположены две симметричные зоны переходных состояний, где возможно наличие как натягов, так и зазоров. Диаметрально противоположно к зоне натягов расположена замыкающая зона - зона зазоров. Данные зоны принадлежат двум внутренним контурам А1, А2 (см. рис. 3, п.4).

В методике СУС двухрядных роликовых опор вначале выбирается система отсчета, представляющая собой проекций положений центров роликов на гиперплоскость действия внешней силы Р с координатами {01, Q1, Q2}. Затем определяются разности ХБРД и хМРД между проекциями на гиперплоскость центров двух соседних роликов 0рn и 0рn+1 за один оборот комплектов, фиксируемые с угловым шагом в 10 (см. рис. 4), которые формально описываются выражением . Далее строятся карты ГБРД и ГМРД, путем откладывания в полярной системе координат полученных значений ХБРД и хМРД.

Следующий этап включает геометрические действия по наложению полученных карт путем совмещения центров их координатных осей. При этом происходит формирование взаимосвязанного контура Б.

Далее производится вращение карты ГБРД относительно карты ГМРД с привязкой к полярной системе координат с началом отчета в метке Q1 и определяются количества совпадений сопряженного градиента величин ХБРД и хМРД (благоприятные исходы) при изменении углового разворота комплекта роликов БРД (фазового угла) с шагом 10. На основе проведенного анализа определяется структурный коэффициент, характеризующий контур Б как взаимосвязь двух внутренних контуров A1 и А2, который находится по зависимости

,

где и - соответственно количество благоприятных и неблагоприятных исходов.

Для анализа равномерности распределения нагрузки во взаимосвязанном контуре Б впервые применен математический аппарат монадного метода из теории категорий, позволяющий обобщить методику СУС на случаи любой геометрии взаимодействующих поверхностей подвижных соединений. Для этого используется система отсчета, представленная рядом бинарных функций (монадой), характеризующих состояние взаимодействия соединений. Эти бинарные функции составляют последовательность из n нулей и единиц в выбранной системе отсчета. Оператор бинарной функции взаимосвязанного контура последовательности xj включает преобразование знаковой функции следующих сигнатур

 .

На основе анализа бинарных функций взаимосвязанного контура рассмотрены ее первые разности и определен линейный оператор следующей рекуррентной формулы . Для сохранения длины ряда n при оценке величина приравнивается , таким образом выполняется условие цикличности последовательности, т.е. функция x со значениями в точках j будет периодической с периодом n. Через конечное число описанных преобразований происходит отображение конечного множества {M} в себя. Размер бинарного ряда с учетом F - декомпозиции составляет: в зоне натягов nН=7; первой и второй переходных зонах nП1=7 и nП2=7; в зоне зазоров nЗ=15.

Описанный алгоритм выполнен при изменении углового разворота комплекта роликов БРД (фазового угла) с шагом 10, в результате чего были выявлены пульсирующие циклы, составленные произвольным чередованием двух видов монад. Анализ количества пульсирующих циклов в различных зонах взаимосвязанного контура Б роликовых опор, собранных по методикам СУС и НС (с произвольным расположением роликов на беговых дорожках), показал их существенное различие, что указывает на различие процессов взаимодействий роликов. На рис. 5 графически представлены зонные частоты пульсирующих циклов взаимодействий роликов для двух сравниваемых методик сборки.

Как видно из рис. 5, при СУС по сравнению с методикой НС наблюдается более равномерное распределение пульсирующих циклов во всех зонах. Это дает основание полагать, что характер взаимодействия роликов по зонам, собранных по методике СУС, в отличие от НС, изменяется несущественно, что может быть объяснено более равномерным распределением нагрузки во взаимосвязанном контуре Б.



Рис. 5. Зонные частоты пульсирующих циклов взаимодействия роликов во взаимосвязанном контуре Б: а - методика СУС; б - методика НС

В результате проведенных исследований разработан принцип фазового соответствия, в основе которого лежат два положения:

- каждому варианту m-структуры соответствует рациональный угол разворота комплекта роликов БРД (внутреннего контура А1) относительно комплекта роликов МРД (внутреннего контура А2);

- если парные взаимодействия роликов с m-структурой имеют большинство благоприятных исходов, то при прочих равных условиях степень перераспределения нагрузки между внутренними контурами тем выше, чем больше количество пульсирующих циклов во всех зонах подвижного соединения.

В существующих конструкциях трехшарошечных буровых долот в нагруженном секторе опоры (зоне натягов) всегда находятся три ролика, сменяющихся при вращении шарошки, по которым распределяется нагрузка в опоре. При НС с произвольным расположением роликов на беговых дорожках, взятых из одной селективной группы, в общем случае происходит концентрация нагрузки на центральный ролик, что приводит к снижению долговечности опоры. Более равномерное распределение нагрузки обеспечивается при использовании m-структуры расположения роликов, взятых из трех селективных групп, позволяющее анализировать различные варианты попадания роликов в нагруженный сектор. Было установлено, что наилучшим является такое сочетание роликов в нагруженном секторе, когда диаметр центрального ролика оказывается меньше, чем у соседних роликов. В этом случае нагрузка преимущественно распределяется на два соседних ролика, что приводит к снижению напряжений в нагруженном секторе. Указанные положения были подтверждены при конечно-элементном моделировании напряженно-деформированного состояния деталей опоры в нагруженном секторе с использованием программного пакета ANSYS. Таким образом, в методике СУС выявлена взаимосвязь расположения породоразрушающих зубков, создающих внешние циклы нагрузок (силовой фактор) с расположением роликов с учетом m-структуры и фазового угла ц (геометрический фактор), которая описывается коэффициентом вариации .

,

где , - соответственно дисперсия и математическое ожидание совпадений углового положения зубков с роликами, имеющими в m-структуре диаметры Dmin, dmin (см. табл. 1). Данный коэффициент устанавливает связь между внешним контуром В и входящим в него взаимосвязанным контуром Б (см. рис. 3, п.5)

Учитывая процессы контактного взаимодействия деталей в соединении в качестве базовой модели, для нахождения взаимосвязи между расчетным ресурсом и переменными структурными параметрами, выбрано тождество проф. А.С. Проникова, в которое введены параметры, характеризующие структуру собираемого узла. Полученная модель имеет вид



где - степень, учитывающая групповые свойства опор; Uб - квантиль нормального распределения с б уровнем достоверности; - дисперсия перемещений роликов в опоре, рассчитанная в секторе упругопластических деформаций в зависимости от варианта структурной последовательности роликов (m-структура) и угловой переменной , мкм2; - дисперсия скорости изнашивания роликовой опоры, (мкм/ч)2; Tр - расчетный ресурс двухрядной роликовой опоры, ч; - максимально допустимый суммарный линейный износ роликов в комплекте, при котором обеспечивается работа соединения без заклинивания, мкм; , - соответственно суммарный зазор между роликами в комплекте с учетом варианта сборки и коэффициент его вариации, мкм; - коэффициент вариации, устанавливающий связь внешних циклов нагрузок с вариантом структурной последовательности роликов; m - номер варианта структурной последовательности роликов; K(ц) - структурный коэффициент, учитывающий связь между комплектами роликов на большой и малой роликовых дорожках опоры; ц - параметр, учитывающий угловое смещение комплекта роликов БРД относительно комплекта роликов МРД, град; - скорость линейного изнашивания роликов, определяемая по измеренной величине износа роликов за время ресурсных испытаний, мкм/ч;

Полученная расчетная модель (4) используется для выбора рациональных параметров СУС подвижного соединения с учетом оценки допустимого износа роликов. Расчетный ресурс опоры в часах, оценивается по значению корней Tmax, и Tmin биквадратного уравнения (4). Расчетные значения среднего ресурса трех секций (опор) на примере трехшарошечного бурового долота 187,3МЗ-ПГВ в зависимости от m-структуры комплектов роликов представлены на рис. 6.



Рис. 6. Зависимости средних значений расчетного ресурса Тр от m-структуры комплектов роликов:

Ряд 1 - первая секция (опора); Ряд 2 - вторая секция (опора); Ряд 3 - третья секция (опора)

Как видно из рис. 6. для рассматриваемой марки долота рациональной является m-структура m26=(Dsr, Dmax, Dmin,)…/(dmax, dsr, dmin,)… т.к. численные значения расчетного ресурса при такой m-структуре максимальны. После определения рациональной m-структуры аналогичным образом находится рациональный фазовый угол ц, который составил для первой секции =20; для второй секции =20; для третьей секции =330. Для удобства нахождения рациональных параметров СУС по модели (4) разработана специализированная программа в среде Delphy, которая в настоящее время используется в инженерной практике.

Составленное таким образом множество m-структур комплектов роликов позволяет с помощью системного анализа параметров сборки управлять сборочным процессом, добиваясь максимального расчетного значения ресурса буровых долот Tр.

Практика эксплуатации трехшарошечных буровых долот показала, что их отказы связаны, как правило, с выходом из строя одной опоры, тогда как две другие находятся в работоспособном состоянии. Реже происходят отказы двух опор и крайне маловероятно событие, заключающееся в одновременной потере работоспособности всех трех опор долота. Это приводит к существенной недоработке ресурса работоспособных секций и свидетельствует о неблагопритном распределении нагрузки на секции долота, когда большая часть веса буровой колонны приходится на одну секцию, а также о существенном разбросе технического ресурса опор, собранных по технологии НС. Причем, как следует из расчетов ресурса опор трехшарошечных буровых долот по математической модели (4), долговечность третьей секции является наибольшей, а второй - наименьшей (см. рис. 6). Это согласуется с имеющимися данными статистики отказов.

Для решения вышеуказанной проблемы разработана методика СУС под сварку буровых долот, позволившая минимизировать случайные составляющие сборочного процесса и привести к повышению долговечности трехшарошечных буровых долот за счет выравнивания расчетного ресурса отдельных секций методом направленного регулирования высоты подъема каждой опоры, осуществляемого в пределах заданного допуска на разновысотность. При этом для оценки ресурса опор использовалась разработанная расчетная модель (4), описанная выше. Регулирование производится с помощью набора концевых мер заданного размера с последующей предварительной фиксацией секции путем выполнения прихватки. Размер набора концевых мер определяется как произведение выравнивающего множителя на расчетное значение среднего ресурса каждой опоры. Данная методика СУС трехшарошечных буровых долот под сварку приводит к рациональному распределению нагрузки на опоры, при котором с наименее надежных опор часть нагрузки переносится на более надежные опоры, что повышает долговечность всего изделия.

В четвертой главе рассматривается характер взаимодействия деталей во всех зонах двухрядных роликовых опор трехшарошечных буровых долот и определяются рациональные зазоры в сопряжениях с учетом m-структуры комплектов роликов.

Изучение характера взаимодействия деталей в различных зонах F - декомпозиции двухрядных роликовых опор проведены с учетом суммарных зазоров между роликами в комплекте и диаметральных зазоров при СУС. В качестве интегральной характеристики, описывающей изменения процессов контактного взаимодействия роликов при переходе из одной зоны в другую, использовался параметр Z. Этот параметр определяется с учетом соотношений между полярными углами в i-той зоне опоры и импульсами сил между роликами с цапфой и шарошкой при качении:

.

Поскольку процесс контактного взаимодействия роликов в опорах характеризуется как циклический и дискретный, импульсы сил определяются с использованием волновой функции Бете

,

где mр - масса роликов в зоне, кг; щ - круговая частота вращения ролика, мин-1; Аз - параметр, характеризующий суммарный зазор в различных зонах опоры, мм; ц1,2 - фазовые углы смещения роликов относительно шарошки и цапфы, радиан.

После подстановки численных значений в уравнение (6) и решения его относительно полярных углов, соответствующих различным зонам, с использованием программы Mathcad, получены значения параметра Z для всех зон соединения. Установлено, что в зоне натягов параметр Z имеет величину 1,007587, в зоне зазоров - 0,992438; в зоне переходных состояний - 1,278736. Полученные значения указывают на изменение характера контактных взаимодействий роликов в различных зонах.

Для объяснения физической сущности контактного взаимодействия роликов найдено решение несобственного интеграла функции параметра Z и построены графики импульсов сил их качения в зонах натягов, переходных состояний и зазоров соответственно рис. 7.

Рис. 7. Графики импульсов сил качения роликов:

а - в зоне натягов; б - в зоне переходных состояний; в - в зоне зазоров

Как видно из графиков, в зоне зазоров (рис. 7 в) наблюдаются наименьшие разрывы функции, что говорит о плотности прилегания роликов в данной зоне и наибольшей вероятности их заклинивания по сравнению с другими двумя зонами.

Для оценки достоверности полученных результатов выполнено их качественное сравнение с результатами моделирования процесса взаимодействия роликов в опоре, полученными на основе теории упаковок. В качестве исходной модели, определяющей плотность упаковки роликов, использована зависимость

,

где - количество роликов в зоне; - плотность упаковки роликов в зоне опоры.

Решая (7) относительно с учетом площади каждой зоны , имеем

.

Решение уравнения (8) производилось в программе Mathcad, результаты представлены на рис. 8.

Рис. 8. Изменение плотности упаковки роликов по зонам в зависимости от количества роликов n: - зона натягов; - зона переходных состояний; - зона зазоров Рис. 9. Заклинивание шести плотноприлегающих роликов в зоне зазоров

Как видно из рис. 8. наибольшая плотность упаковок соответствует зоне зазоров, что свидетельствует о более интенсивном силовом взаимодействии роликов с шарошкой и цапфой в этой зоне и наибольшей вероятности появления катастрофических форм контактного взаимодействия, например, заклинивания. При сравнении плотностей упаковки, рассчитанных с помощью волновой функции Бете и по модели, полученной из теории упаковки, получены качественно однородные результаты. В пользу этих результатов говорит и тот факт, что зона зазоров является характерной областью заклинивания роликов при эксплуатации трехшарошечных буровых долот, как это видно на рис. 9.

Показано, что выявленная проблема неоднородности контактного взаимодействия в различных зонах опоры может быть решена путем СУС. Для этого процессы взаимодействия деталей в двухрядной роликовой опоре смоделированы в виде системы уравнений. Решение системы уравнений представлено в виде фазовых траекторий центров симметрии роликов рис. 10 с использованием программы Mathcad на примере опоры долота 215,9МЗ-ГВ для двух вариантов m-структуры: (Dmin, Dsr, Dmax,)…/(dmin, dsr, dmax,)… и (Dmax, Dsr, Dmin,)…/ (dmax, dsr, dmin,)….



Р и с. 10. Фазовые траектории центров роликов во взаимосвязанном контуре Б:

а - параметры сборки с m-структурой (Dmin, Dsr, Dmax,)…/(dmin, dsr, dmax,)…

Z1 - =2,167 мм, =0,06 мм (внутренний контур А1); z2 - =1,943 мм, =0,28 мм (внутренний контур А2); б - параметры сборки с m-структурой (Dmax, Dsr, Dmin,)…/ (dmax, dsr, dmin,)… Z1 - =2,154 мм, =0,28 мм (внутренний контур А1); z2 - =1,93 мм, =0,28 мм (внутренний контур А2)

Как видно из полученных графиков суммарные амплитуды фазовых траекторий центров роликов для m-структур (Dmin, Dsr, Dmax,)…/(dmin, dsr, dmax,)… и (Dmax, Dsr, Dmin,)…/ (dmax, dsr, dmin,)… различаются на порядок и составляют соответственно 2,6 мм и 0,26 мм. С ростом амплитуды колебаний фазовых траекторий снижается устойчивость работы роликовой опоры. Таким образом установлено, что структура расположения роликов является важным фактором в управлении качеством собранного узла. Из множества вариантов m-структур роликов в комплектах следует производить поиск наиболее рационального варианта, который будет приводить к самому устойчивому процессу взаимодействия деталей во всех зонах роликовой опоры, а следовательно и к максимальным значением ресурса трехшарошечного бурового долота. Этот вариант m-структуры обеспечит рациональные зазоры в подвижном соединении.

Таким образом, полученные качественные и количественные характеристики процессов контактных взаимодействий роликов по зонам в роликовых опорах позволили сформулировать критерии выбора рациональных структурных параметров СУС.

В пятой главе рассмотрено применение методологии СУС к разработке методики сборки разъемных и неразъемных неподвижных соединений алмазных буровых долот.

Алмазные буровые долота имеют осесимметричную конструкцию и состоят из резьботорцовых (РТ) соединений с последующим их преобразованием в резьбосварные (РС) соединения по периметру цилиндрических поверхностей корпуса (породоразрушающей части) и ниппеля (хвостовой части). Указанные неподвижные неразъемные РС и разъемные РТ соединения должны обеспечивать минимальные погрешности взаимного расположения сопрягаемых деталей. Экспериментальные исследования показали, что основным технологическим показателем качества сборки алмазных буровых долот, определяющим эксплуатационные характеристики изделий, является отклонение от соосности корпуса и ниппеля, на величину которого при сборке влияет множество случайных факторов, среди которых доминируют упругопластические и тепловые деформации в торцовых стыках соединяемых деталей.

Применяемая до настоящего времени технология НС алмазных буровых долот, состоит из двух основных операций. На первой операции производится сборка РТ соединения, которая соединяет корпус и ниппель долота по метрической резьбе в упор их торцовых дисковых поверхностей. На второй - производится сборка под сварку РС соединения, после чего собираемые детали окончательно фиксируются электродуговой сваркой. Методика НС неразъемных соединений алмазных буровых долот в большинстве случаев не обеспечивает требуемую точность взаимного расположения поверхностей соединяемых деталей, т.к. не учитывает влияние доминирующих случайных факторов на их соосность. Для решения проблемы обеспечения требуемых показателей качества алмазных буровых долот предложено усовершенствовать сборочный процесс, с использованием разработанной методологии СУС. Для этого произведена контурная P - декомпозиция РС соединений алмазных буровых долот, представленная на рис. 11. Как видно из рис. 11 в результате Р - декомпозиции в конструкции алмазных буровых долот выделены три контура: внутренний АР (резьбовое соединение); взаимосвязанный БРТ (РТ соединение); внешний ВРС (РС соединение).

Рис. 11. Контурная декомпозиция (Р-декомпозиция) неподвижных соединений алмазных буровых долот с описанием контурных связей:

1 - корпус; 2 - ниппель; S - площадь контакта торцового соединения

При свинчивании корпуса и ниппеля алмазного бурового долота до момента касания торцов действует внутренний контур АР, который не обеспечивает соосность деталей, а служит преимущественно для анализа качества изготовления отдельных деталей соединения. После касания торцов вступает в работу взаимосвязанный контур БРТ (см. рис. 11, п.1), свойства которого позволяют вносить в процесс сборки управляющие воздействия по обеспечению качества соединения. Для этого проведены исследования влияния технологических факторов на свойства данного контура.

Эксперименты показали, что сборка двух деталей посредством резьбы сопровождается случайными отклонениями осей соединяемых деталей. Причем эти отклонения вначале имеют тенденцию к уменьшению с ростом момента затяжки , а при превышении момента определенной величины отклонение от соосности соединяемых деталей начинает расти. Поэтому для направленного регулирования положения осей РТ соединений алмазных буровых долот разработаны две стратегии СУС, основанные на поиске таких технологических параметров, при которых достигается минимальное отклонение от соосности ниппеля и корпуса.

...