Организационно-технологическое обеспечение оптимальной долговечности деталей машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Говоров Игорь Витальевич

Брянск - 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Брянский государственный технический университет».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Суслов Анатолий Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Албагачиев Али Юсупович,

МГУПИ, г. Москва

доктор технических наук, профессор

Клепиков Виктор Валентинович,

МГИУ, г. Москва

доктор технических наук,

доктор экономических наук, профессор

Омельченко Ирина Николаевна,

МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва

Ведущая организация: «Воронежский механический завод» - филиал ФГУП «Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева», г. Воронеж

Защита состоится « 21 » апреля 2009 г. в 14-00 часов в учебном корпусе № 1, ауд. 59 на заседании диссертационного совета Д 212.021.01 при ГОУ ВПО «Брянский государственный технический университет», по адресу 241035, г. Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, д. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянского государственного технического университета.

Автореферат разослан «___» марта 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор А.В. Хандожко

1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Конкурентоспособность изделий машиностроения в значительной мере определяется их надежностью, одной из основных составляющих которой является долговечность. Недостаточная долговечность отдельных деталей приводит к частым аварийным остановкам и незапланированным ремонтам, которые существенно увеличивают эксплуатационные расходы. Проблема усугубляется практически полным отсутствием отлаженной системы фирменного сервиса машин отечественного производства, в результате чего возникающие у потребителя сложности разрешаются непрофессионально и малоэффективно.

У отмеченной проблемы есть и другая сторона, которая также негативно сказывается на конкурентоспособности отечественной продукции. Связана она с тем, что в условиях ограниченных финансовых ресурсов, а иногда из-за недальновидной технической политики руководителей, на предприятиях часто осуществляется искусственное увеличение долговечности машин сверх нормативного срока службы за счет неоправданных ремонтно-восстановительных мероприятий и модернизаций. Однако многочисленными исследованиями отечественных и зарубежных ученых однозначно доказано, что любая машина имеет определенный предел экономически целесообразного применения, по достижению которого катастрофически нарастающее число отказов приводит к существенному увеличению затрат на ее ремонт и обслуживание, включаемых в себестоимость выпускаемой продукции (выполняемых работ). А это, в итоге, подтверждает известный вывод о том, что неконкурентоспособные машины не могут создавать конкурентоспособную продукцию.

Следует отметить, что надежная и экономически выгодная эксплуатация машины связана, прежде всего, с определением и организационно-технологическим обеспечением оптимальных сроков службы составляющих ее деталей, которые изначально имеют различный ресурс, могут восстанавливаться и заменяться при ремонте машины, а также повторно использоваться после ее утилизации.

Эффективное решение здесь возможно только при комплексном и полномасштабном анализе всего жизненного цикла машины.

В связи с этим разработка научных основ и рекомендаций по применению системы организационно-технологического обеспечения оптимальной долговечности деталей машин, как одно из важнейших направлений повышения конкурентоспособности продукции отечественного машиностроения, является актуальной для промышленного производства и всего национального хозяйства Российской Федерации.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является решение научной проблемы организационно-технологического обеспечения оптимальной долговечности деталей машин, имеющей важное народно-хозяйственное значение.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обосновать критерий оптимальной долговечности деталей машин.

2. Получить целевую функцию, связывающую удельные затраты, приходящиеся на деталь с временными и техническими условиями ее функционирования в машине (или механизме).

3. Разработать методологию и создать комплексную систему организационно-технологического обеспечения оптимальной долговечности изделий машиностроения.

4. Разработать основы инженерного анализа деталей машин как элемента системы организационно-технологического обеспечения их оптимальной долговечности.

5. Разработать организационные мероприятия по обеспечению оптимальной долговечности деталей машин при их изготовлении.

6. Установить область эффективного применения современных технологий упрочнения и восстановления поверхностного слоя деталей в случае необходимости повышения их долговечности.

7. Получить математические модели, связывающие эксплуатационные свойства деталей машин с режимами упрочнения (восстановления) их функциональных поверхностей.

8. Определить надежность технологического обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин при их упрочнении и восстановлении.

9. Создать автоматизированную базу данных по технологическим методам обеспечения требуемой долговечности деталей машин на этапах их изготовления и восстановления.

10. Определить экономическую эффективность внедрения разработанной системы организационно-технологического обеспечения оптимальной долговечности машин в конкретных производственных условиях.

Объект и методы исследований. Объектом исследований являются изделия машиностроения. Предмет исследований - оптимизация долговечности деталей машин организационно-технологическими методами.

Теоретические исследования основаны на многоаспектном (конструкторском, технологическом и организационном) анализе всех стадий жизненного цикла изделий машиностроения, современных научных положениях учения об инженерии поверхности деталей машин, технологии машиностроения, организации и обслуживания производства, а также на использовании соответствующего математического аппарата.

Экспериментальные исследования выполнены с использованием универсального и оригинального оборудования, современных методов и средств измерений, элементов АСНИ. Натурные испытания деталей машин и технологической оснастки выполнены в лабораториях УНТИ БГТУ и на ряде промышленных предприятий.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Решение научной проблемы обеспечения оптимальной долговечности деталей машин организационно-технологическими методами, заключающееся в разработке комплексной системы, позволяющей на основе сравнительного анализа установленного срока службы машины и фактической долговечности входящих в нее деталей формировать комплексы организационно-технологических мероприятий (КОТМ), обеспечивающих минимальные затраты на каждую из анализируемых деталей за срок службы машины с учетом возможных ремонтов, восстановлений или замен этих деталей, а также их повторного использования в конструкции новой (модернизированной) машины.

2. Критерий оптимальной долговечности деталей машин, связывающий совокупные затраты, приходящиеся на каждую деталь, со сроком службы машины и показателями интенсивности ее использования.

3. Теоретические зависимости, позволяющие определить совокупные затраты на реализацию КОТМ при различных соотношениях установленного срока службы машины и долговечности детали с целью ее оптимизации.

4. Содержание и методические основы проведения инженерного анализа деталей машин, направленного на выявление причин потери деталью работоспособности с целью выбора соответствующего варианта КОТМ, обеспечивающего оптимальную долговечность объекта анализа.

5. Методология организационно-технологического обеспечения и повышения долговечности деталей машин при их изготовлении и ремонте.

6. Методика разработки двухкомпонентных и комплексных составов обмазок для поверхностного лазерного легирования.

7. Составы обмазок, технология лазерного поверхностного модифицирования и последующей механической обработки деталей машин, обеспечивающие повышение их долговечности.

8. Совокупность теоретико-экспериментальных зависимостей, связывающих прочностные показатели модифицированных поверхностей, непосредственно влияющие на долговечность деталей машин, с условиями их лазерной обработки.

Связь с научно-техническими программами: исследования проводились при финансовой поддержке из средств гранта Президента РФ для ведущих научных школ НШ 1648.2003.8 «Технологическое обеспечение и повышение качества изделий машиностроения на всей стадии их жизненного цикла» (гос. рег. № 01 2006 03350); межвузовских научно-технических программ по темам «Формирование развитой инфраструктуры поддержки машиностроительного производства промышленного региона» (гос. рег. № 01 98 0003552), «Разработка нормативно-технической документации для конструкторов и технологов по обеспечению качества машин и автоматизации решения этой проблемы» (гос. рег. № 01 2001 0833), «Влияние технологии нанесения износостойких покрытий на качество режущего инструмента» (гос. рег. № 01 2003 04921); госбюджетных научно-исследовательских работ, выполняемых в рамках тематического плана «Разработка и формирование учения об инженерии поверхности деталей машин и инструментов» (гос. рег. № 01 2001 08321), «Теоретические исследования инженерии поверхности на всех стадиях жизненного цикла деталей машин и технологической оснастки» (гос. рег. № 01 2006 05588).

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Исходя из требований обеспечения конкурентоспособности продукции отечественного машиностроения определен критерий оптимальной долговечности деталей машин, учитывающий совокупные затраты, приходящиеся в конкретных условиях эксплуатации на соответствующую деталь за установленный срок службы машины (механизма).

2. Разработаны основные положения и методические основы применения системы организационно-технологического обеспечения оптимальной долговечности деталей машин, предусматривающие возможность их конструкторской и технологической модернизации, а также применения к ним реновационных мероприятий.

3. Разработан типовой технологический процесс лазерного борохромирования и последующей механической обработки деталей из конструкционных сталей.

4. Получены теоретические зависимости, позволяющие определить совокупные затраты на реализацию комплексов организационно-технологических мероприятий (КОТМ) по обеспечению оптимальной долговечности деталей машин в соответствии с принятым критерием и установленными ограничениями.

5. Разработаны новые составы обмазок для лазерного легирования, позволяющие существенно повышать долговечность деталей из различных конструкционных сталей (а.с. 1573053, а.с. 1607433, решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке № 2007126589/02(028949)).

6. Разработаны методические основы технико-экономического обоснования организационно-технологических мероприятий по обеспечению оптимальной долговечности деталей машин, обеспечивающих повышение эффективности основного и ремонтного производств машиностроительных предприятий.

Практическая значимость и реализация результатов работы заключаются в следующем:

1. Разработана методика проведения инженерного анализа деталей машин, являющаяся одним из основных элементов системы организационно-технологического обеспечения их оптимальной долговечности.

2. Разработана конструкция универсальной установки многоциклового контактного нагружения (патент РФ № 74 200 2007127178/22), предназначенной для испытаний образцов на контактную прочность.

3. Разработаны рекомендации по повышению долговечности деталей машин и технологической оснастки путем создания на их функциональных поверхностях износостойких покрытий на основе бора и хрома при воздействии лазерного излучения, которые заключаются в обосновании рациональных составов обмазок, режимов лазерной и окончательной механической обработок.

4. Сформированы графические и табличные базы данных по надежности технологического обеспечения микротвердости и контактной прочности борохромированных поверхностей с использованием лазерной энергии.

5. Разработана автоматизированная система, обеспечивающая формирование и сортировку массива возможных организационно-технологических решений, сопровождающих реализацию выбранных КОТМ по обеспечению оптимальной долговечности деталей машин.

6. Разработаны и экономически обоснованы КОТМ по оптимизации долговечности опорного катка круглопильного отрезного полуавтомата (годовой экономический эффект - 350,0 тыс. руб.) и установочных элементов технологической оснастки (годовой экономический эффект - 480,0 тыс. руб.).

7. Комплексное применение предложенной системы организационно-технологического обеспечения оптимальной долговечности деталей машин в условиях ремонтного хозяйства промышленного предприятия сопровождается ожидаемым экономическим эффектом в размере 5,0 млн. руб., а применительно к изделиям, составляющим основную номенклатуру производства - около 9,0 млн. руб. за предполагаемый период использования мероприятий.

Апробация работы. Материалы, отражающие основное содержание работы, докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня, в том числе на международных конференциях «Проблемы повышения качества машин» (Брянск, 1994), «Износостойкость машин» (Брянск, 1995), «Проблемы повышения качества промышленной продукции» (Брянск, 1998), «Высокоэффективные технологии в машиностроении» (Харьков, 1998), «Сертификация и управление качеством продукции» (Брянск, 1999), «Качество машин» (Брянск, 2001), «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века» (Донецк, 2001), «Нетрадиционные методы обработки» (Воронеж, 2002), «Инженерия поверхности и реновация изделий» (Ялта, 2003), «Применение ИПИ-, CALS-технологий для повышения качества и конкурентоспособности наукоемкой продукции» (Москва. 2003), «Менеджмент качества продукции и услуг» (Брянск, 2004), «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2005), «Производство и ремонт машин» (Ставрополь, 2005), «Надежность и ремонт машин» (Орел, 2004 и 2005), «Конкурентоспособность машиностроительной продукции и производств» (Москва, 2005), «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, 2006), «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2006), «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Донецк, 2007); всероссийских и региональных конференциях «Новые идеи, технологии, проекты и инвестиции» (Брянск, 1999), «Практика и перспективы применения ИПИ-технологий в производстве» (Ульяновск, 2004), «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Москва, 2005), «Управление качеством» (Москва, 2006) и др.; 55 - 58 научных конференциях профессорско-преподавательского состава Брянского ГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 67 работ, в том числе раздел «Лазерная обработка» в «Справочнике технолога-машиностроителя», глава «Инженерия поверхности деталей машин при их восстановлении» в монографии «Инженерия поверхности деталей», 18 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных работ, получено 2 авторских свидетельства, 2 патента РФ и одно положительное решение на выдачу патента РФ на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Основное содержание работы и выводы изложены на 287 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 70 рисунков, 42 таблицы и 4 приложения. Список литературы включает 258 наименований.

2. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и определены основные задачи, которые необходимо решить для ее достижения. Показана научная новизна и практическое значение полученных результатов.

В первой главе выполнен анализ современного состояния проблемы обеспечения оптимальной долговечности машин и их элементов. Практика последних десятилетий показывает, что при существующем уровне развития производства и ремонта длительность эксплуатации машин может быть практически неограниченной (если не считаться с экономическими соображениями) за счет периодического восстановления (ремонта) отдельных деталей, составляющих машину, или замены изношенных деталей новыми. В то же время, экономически необоснованное повышение долговечности отдельных деталей часто приводит к увеличению эксплуатационных расходов, что негативно отражается на себестоимости выпускаемой продукции.

Таким образом, увеличение долговечности машины и отдельных ее деталей не должно являться самоцелью, а должно выступать как средство снижения затрат на их изготовление, эксплуатацию и ремонт. Поэтому для любого изделия может быть установлен рациональный предел срока службы, при котором обеспечивается наиболее эффективное его использование за весь период эксплуатации.

Очевидно, что установленному сроку службы машины должна соответствовать оптимальная долговечность составляющих ее элементов (узлов, деталей), организационно-технологическое обеспечение которой позволило бы регламентировать порядок их ремонта, восстановления, замены и повторного использования в новых (модернизируемых) изделиях, что, в конечном итоге, обеспечило бы эффективность применения машины в принятом временном периоде.

В связи с этим, на основании проведенного анализа известных работ отечественных и зарубежных ученых сделаны следующие выводы:

1. Многообразие работ, посвященных различным аспектам обеспечения оптимальной долговечности машин и их деталей, свидетельствует об актуальности этой проблемы и отсутствии в настоящее время ее универсального научно-обоснованного решения.

2. Оптимальная долговечность изделий машиностроения должна определяться сроком службы (или наработки), за который достигаются наиболее высокие экономические показатели ее использования; к числу этих показателей (критериев оптимальности) могут быть отнесены минимальные затраты на изготовление единицы продукции (работы), максимальная рентабельность продукции (работы) и минимальные удельные приведенные затраты.

3. Проблема обеспечения оптимальной долговечности машины является организационно-технической и связана с установленными (обеспечиваемыми) сроками службы составляющих ее элементов. Эффективно она может быть решена только комплексно при полномасштабном анализе всего жизненного цикла машины.

4. Существующие методы механической обработки и упрочнения деталей машин при всем их разнообразии далеко не всегда используются эффективно: сложившаяся практика получения технологических решений в большинстве случаев не предусматривает согласования долговечности деталей со сроком службы машины (узла) в целом.

5. Реновационные мероприятия, признаваясь специалистами высокоэффективными в масштабах отдельного предприятия и всей национальной экономики, не получили достаточно строгой регламентации по их технологическим возможностям и экономической целесообразности применения к конкретным объектам машиностроения.

6. Эффективная реализация комплекса организационно-технологических мероприятий по обеспечению оптимальной долговечности деталей машин возможна только в случае организации фирменного сервиса машин, когда за производителем закрепляются также функции профессионального ремонта, восстановления отдельных элементов и их последующая рациональная утилизация (конверсия или рециклинг).

Во второй главе рассмотрена методология диссертационной работы, заключающаяся в системном подходе к формированию универсальных комплексов организационно-технологических мероприятий, обеспечивающих оптимальную долговечность деталей машин.

Теоретические исследования базируются на научных положениях технологии машиностроения, организации и обслуживания производства, фирменного сервиса машин, учения об инженерии поверхностного слоя деталей машин и формировании их эксплуатационных свойств, теорий надежности и оптимизации, а также на применении современных математических методов. В основе расчета экономической эффективности применения предлагаемых в работе организационно-технологических мероприятий по обеспечению оптимальной долговечности деталей машин лежат теоретические зависимости, составляющие основу методики анализа эффективности инновационных решений (ЮНИДО).

Экспериментальные исследования основываются на теории планирования эксперимента, методах статистической обработки данных, использовании современной приборной базы, средств вычислительной техники и программного обеспечения.

Апробация предложенной методологии организационно-технологического обеспечения оптимальной долговечности деталей машин осуществлена на примере лазерного борохромирования их функциональных поверхностей. Упрочняющей обработке лазером и последующим исследованиям подвергались цилиндрические (диаметром 10 мм и высотой 12 мм) и призматические (15Ч15Ч3 мм) образцы (на этапе предварительных испытаний), а также образцы, конструктивно соответствующие рассматриваемым деталям машин и технологической оснастки (при проведении натурных испытаний), изготовленные из конструкционных сталей.

В работе рассматривались два способа введения легирующих компонентов в упрочняемую поверхность: лазерная обработка диффузионных борохромированных слоев, полученных в процессе химико-термической обработки (ХТО), и лазерное легирование из обмазок. Структурные схемы этих процессов представлены на рис.1.

Все составы для диффузионного насыщения, осуществляемого в муфельной электропечи в специальном герметичном контейнере, включали: 1) бор- и хромсодержащие вещества (основные насыщающие компоненты); 2) активаторы (для ускорения процесса диффузии); 3) инертные добавки (для предотвращения спекания смеси). В состав обмазок также входили содержащие бор и хром соединения и, кроме этого, дополнительные компоненты, позволяющие повысить эффективность легирования (глубину, контактную прочность, трещиностойкость). Подготовленные мелкодисперсные составляющие обмазки перемешивались в связующем веществе и наносились на упрочняемую поверхность кистью или распылением. Все используемые при разработке составов смесей и обмазок вещества не являются дефицитными и достаточно широко на промышленных предприятиях.



Наряду с определением наиболее эффективного соотношения легирующих компонентов в разрабатываемых составах, решались задачи выбора рациональных режимов лазерной обработки получаемых покрытий, которая осуществлялась на технологической лазерной установке «Квант-18М», работающей в режиме свободной генерации на длине волны = 1,06 мкм. Зона лазерного воздействия представляла собой прямоугольное пятно размером 1,5 4 мм. Варьировались такие параметры лазерной обработки, как энергия W_и и длительность импульса _и (рис. 2), определяющие совместно с площадью зоны лазерного воздействия S_п плотность мощности излучения E.

Для каждого рассматриваемого вида упрочнения экспериментально установлены значения критической плотности мощности (E_кр и E^л_кр), определяющие:

для обработки диффузионных борохромированных покрытий условие оплавления обрабатываемой поверхности: E > E_кр;

для процесса лазерного легирования из обмазок те режимы излучения, при которых легирование возможно вообще: E^л > E^л_кр, в противном случае происходит преимущественное выгорание обмазки.

Анализ различных эксплуатационных свойств деталей (статической и динамической прочности, контактной жесткости, износостойкости и др.) убедительно показал, что они в значительной мере определяются поверхностной микротвердостью и контактной прочностью.

Металлографические исследования получаемых покрытий осуществлялись на микроскопах МИМ - 7 и МБС - 2. Микротвердость измерялась на микротвердомере ПМТ-3.

Для испытаний образцов на контактную прочность использовалась специальная установка ударно-циклического нагружения. Критерием оценки контактной прочности являлся диаметр остаточного отпечатка после удара по исследуемой поверхности конического твердосплавного индентора.

Натурные испытания упрочненных опорных образцов осуществлялись на специально разработанной установке многоциклового нагружения (пат. РФ № 74 200 2007127178/22). В качестве контртел использовались сменные образцы из стали 45 (HRC_э 52). Абсолютный износ после N = 10000...50000 циклов нагружения оценивался по профилограммам, снятым на профилографе-профилометре модели 170311 завода «Калибр» и обработанным с помощью ЭВМ.

Третья глава посвящена разработке теоретических положений организационно-технологического обеспечения оптимальной долговечности деталей машин.

Для оценки уровня качества и конкурентоспособности промышленной продукции может быть использован известный показатель удельных затрат, определяемый отношением группового стоимостного показателя к групповому техническому показателю:

, (1)

где С - совокупные затраты за жизненный цикл машины с учетом их дисконтирования; Э_н - натуральный эффект применения машины за срок ее службы.

Величина натурального эффекта Э_н, входящая в зависимость (1), может быть определена исходя из производительности (выработки) машины Q за единицу ее срока службы Т_сл

Э_н = Q Т_сл k_Тk_ТИ, (2)

где k_Т - показатель качества выпускаемой продукции или коэффициент точности работы машины; k_ТИ - коэффициент технического использования выпускаемой продукции.

Применительно к i-му элементу машины с учетом (1) и (2) удельные затраты могут быть определены по формуле

(3)

где C_i - совокупные затраты на i-й элемент (деталь или узел) машины за ее срок службы Т_м.

Входящие в натуральный эффект Э_н (2) коэффициенты k_Т и k_ТИ учитывают технический уровень производимой продукции (результата использования машины) и представляют практический интерес только при сравнительной оценке конкурентоспособности машины в целом. Применительно к отдельным деталям анализируемой (конкретной) машины эти коэффициенты использовать не совсем корректно, поэтому из зависимости (3) они исключены.

В большинстве случаев величина Q носит крайне нестабильный и трудно прогнозируемый характер и во многом определяется фактической загрузкой машины в течение года. В связи с этим в зависимость (3), исключив Q, целесообразно ввести коэффициент k_Vi, учитывающий возможное изменение интенсивности использования машины (ее выработку в ограниченном периоде времени (за минуту, час, смену, сутки)), непосредственно вызванное возможными конструкторско-технологическими изменениями i-го элемента

. (4)

В зависимости (4) k_Vi = V₀ / V_i, если возможные конструкторско-технологические изменения i-го элемента машины вызывают изменение интенсивности ее использования (выработки) с некоторой исходной величины V₀ до соответствующего значения V_i. В противном случае следует принимать k_Vi = 1.

Таким образом, задача оптимизации долговечности деталей машин может быть сведена к организационно-технологическому обеспечению минимальных затрат у_i на каждый i-й элемент (деталь или узел) за период времени, равный установленному сроку службы машины:

у_i = f (C_i) > min. (5)

При решении данной оптимизационной задачи следует учитывать качественные и количественные ограничения. Качественные ограничения связаны с тем, что в условиях конкретного предприятия можно реализовать конечное число n доступных конструкторско-технологических решений i-го элемента:

R_i {M_ij; Р_ij; Т_ij; К_ij}, j = 1… n, (6)

где R_i - необходимое ресурсное обеспечение жизненного цикла i-го элемента машины; M_ij, Р_ij, Т_ij, К_ij - материалы (основные и вспомогательные), технологическое оборудование, технологическая оснастка и персонал требуемой профессии и квалификации, необходимые для реализации j-го варианта конструкторско-технологических решений i-го элемента машины, соответственно.

Количественное ограничение связано с тем, что в реальных условиях эксплуатации возможна ситуация, когда для рассматриваемой i-ой детали машины уже существующая (изначально предлагаемая) схема ее жизненного цикла (с учетом возможного ремонта, замены, рециклинга) оказывается оптимальной по удельным затратам. Поэтому должно выполняться неравенство

у_i С_{исх i,} (7)

где С_{исх i} - затраты на i-ую деталь машины за установленный период ее службы Т_м при отсутствии каких-либо оптимизирующих организационно-технологических мероприятий вообще.

Следует отметить, что составляющие k_Vi, C_i и Т_м, входящие в равенство (4) и определяющие дискретные значения функции y_i (5), связаны между собой неоднозначной зависимостью, вид которой должен учитывать специфическое соотношение срока службы машины Т_м и долговечности T_р рассматриваемой i-ой детали. Варианты именно этого соотношения лежат в основе предлагаемой в работе системы организационно-технологического обеспечения оптимальной долговечности деталей машин (рис. 3).

Все принципиальные мероприятия, предусматриваемые рассматриваемой системой, направлены на создание оптимальных условий для перехода изделия (детали) из некоторого k-го фактического (k = 1…4, рис. 3) в l-е возможное рациональное состояние (l = 5, 6, 7, рис. 3). При этом, очевидно, корректно рассматривать не абсолютное достижение какого-либо l-го рационального состояния (что с практической точки зрения маловероятно), а лишь технологически и организационно возможное, а также экономически целесообразное приближение к нему.

Представим все возможные варианты перехода от одного состояния к другому в виде ориентированного графа (рис. 3, в центре), ребра которого характеризуют соответствующие организационно-технологические мероприятия, сопровождающиеся определенными затратами. A₀, A₁, …, A₇ - вершины графа, соответствующие конкретному состоянию детали (индексы в обозначении вершин соответствуют позициям на рис. 3). Как видно из рисунка, граф содержит ребра трех видов:

1) A₀A_k (k = 1, …, 4) - соответствуют переходу из исходного (заготовка) в k-е фактическое состояние и сопровождаются затратами C_0k;

2) A₀A_l (l = 5, 6, 7) - соответствуют переходу из исходного в l -е рациональное состояние и характеризуются затратами C_0l;

3) A_kA_l (k =1, …, 4; l = 5, 6, 7) - соответствуют переходу из k-го фактического в l-е рациональное состояние при затратах C_kl.

Реализация любого из возможных комплексов организационно-технологических мероприятий (КОТМ), приводящих от исходного A₀ к рациональному A_l состоянию, сопровождается соответствующими затратами, которые с точки зрения оптимизации должны быть минимальными для конкретной детали за период времени, равный сроку службы машины Т_м (C_0kl > min) и не превышать уровень исходных затрат на данную деталь (C_0kl < C_исх).

В табл. 1 представлены теоретические зависимости, позволяющие рассчитать затраты за жизненный цикл детали при применении к ней определенного варианта КОТМ, а также соответствующие ограничения.

Приведенные зависимости учитывают возможное уменьшение затрат на анализируемую деталь при реализации вариантов КОТМ, предусматривающих снижение ее долговечности (например, переходы А₀А₁А₅, А₀А₂А₆ и т.д.), что может быть обеспечено путем замены материала детали менее дорогим, а также за счетснижения конструкторских требований к точности и качеству функциональных поверхностей.

Реализация вариантов КОТМ, обеспечивающих требуемое повышение долговечности детали (например, переходы А₀А₂А₅, А₀А₃А₆ и т.д.) сопровождается дополнительными затратами, связанными преимущественно с применением различных упрочняющих технологий, имеющих важнейшее значение для современного промышленного производства.

Очевидно, что точность и объективность расчета указанных показателей, а следовательно и обоснованность принимаемых в дальнейшем решений определяется корректностью соответствующих исходных данных, которые, в свою очередь, зависят от конкретных условий эксплуатации машин и могут существенно отличаться для разных предприятий. В связи с этим, эффективное применение предлагаемой системы организационно-технологического обеспечения оптимальной долговечности деталей машин предполагает разработку единого методического подхода, обеспечивающего ее унификацию.

Основные этапы реализации разработанной системы приведены на рис. 4.

Таблица 1. Затраты на реализацию КОТМ оптимизации долговечности деталей

Вар., A0i	КОТМ, A0ij	Затраты на реализацию КОТМ, С0ij	Величина ограничивающих затрат, Сисх
A01	А0А1А5
	А0А1А6
	А0А1А7
A02	А0А2А5
	А0А2А6
	А0А2А7
A03	А0А3А5		2
	А0А3А6		2
	А0А3А7		2
A04	А0А4А5
	А0А4А6
	А0А4А7
Примечание: - затраты на дефектацию детали; - затраты на реализацию технологий упрочнения; - затраты на разборку-сборку узла, содержащего рассматриваемую деталь; - число предполагаемых замен детали в процессе эксплуатации машины в исходном варианте; z1 - число раз возможного использования детали в конструкции машины; z2 - число предполагаемых замен детали в процессе эксплуатации машины



Рис. 4. Структурная схема системы организационно-технологического обеспечения оптимальной долговечности деталей машин

В четвертой главе рассмотрены вопросы взаимосвязи мероприятий организационно-технологического обеспечения оптимальной долговечности деталей машин на этапах их жизненного цикла. Этап проектирования машины как часть ее жизненного цикла характеризуется тем, что в процессе его реализации в конструкцию машины закладываются показатели качества и конкурентоспособности. Применительно к отдельным деталям на этом этапе определяются их эксплуатационные свойства (контактная жесткость, износостойкость, коррозионная стойкость, усталостная прочность и др.), конструкторское, технологическое и организационное обеспечение которых позволяет машине качественно выполнять свои функции в течение установленного срока службы.

Особенность эксплуатационных свойств заключается в том, что они являются исходными данными для проектирования изделия, с одной стороны, и результатом производственного освоения детали (т.е., фактически, критерием ее качества) - с другой. В связи с этим возникает необходимость обеспечения тождества

, (8)

где - совокупность (массив) эксплуатационных свойств, закладываемых конструктором при проектировании детали; - совокупность (массив) эксплуатационных свойств, фактически обеспечиваемых при изготовлении детали.

Проблема обеспечения тождества (8) связана с тем, что в соответствии с современной концепцией опережающего проектирования машин и механизмов планируемые эксплуатационные показатели должны быть выше проектных показателей машин-конкурентов. В то же время, технологические возможности современных производств (даже высокоэффективных зарубежных) оказываются не готовы к оперативному освоению нового изделия.

Структурная схема трансформации в процессе жизненного цикла деталей приведена на рис. 5.

Очевидно, что при переходе от одного этапа жизненного цикла детали к другому возможно (по объективным и субъективным причинам) появление несоответствий требуемых свойств и показателей фактически обеспечиваемым (получаемым), а это в итоге приводит к крайне нежелательной подмене проектных значений эксплуатационных свойств фактическими и, как следствие, к созданию неконкурентоспособной продукции.

Для рационального обеспечения тождества (8) на этапах проектирования (конструкторского и технологического) детали необходимо выполнить следующие мероприятия:

1. Обосновать проектные значения эксплуатационных свойств.

2. Установить предел допустимых отклонений значений эксплуатационных свойств.

Если фактическое значение i-го эксплуатационного свойства оказывается в рамках принятого предела допустимых отклонений, следует считать, что проектное значение соответствующего эксплуатационного свойства обеспечено, т.е.

= .(9)

3. Выработка управляющих воздействий для случаев

> , (10)

где - фактическое отклонение обеспечиваемого значения i-го эксплуатационного свойства от проектного, возникающее, как правило, при изготовлении.

Одним из основных и очевидных условий обеспечения требуемого эксплуатационного свойства детали при изготовлении является строжайшее соблюдение технологической дисциплины. Организационно это может быть обеспечено путем устранения возможных объективных и субъективных факторов, вызывающих технологические отклонения.

В первом случае оптимизирующие мероприятия могут быть связаны с переводом рабочих, непосредственно изготавливающих изделия, на повременную форму оплаты труда и созданием условий для их материальной заинтересованности в выпуске качественной продукции, а также повышением роли руководителей (прежде всего, мастеров) и специалистов (технологов, инженеров по нормированию труда) в обеспечении технологической дисциплины производства.

Влияние объективных факторов на выполнение требований технологической дисциплины производства может быть максимально ограничено за счет реализации следующих основных организационных мероприятий:

- строгий контроль за обеспечением рабочих мест комплектом технологической документации и адекватными средствами технологического оснащения;

- использование систем активного контроля за состоянием инструмента, а также адаптивных инструментальных систем;

- обеспечение принудительной смены инструмента через строго регламентированные периоды времени;

- при эксплуатации автоматического и автоматизированного оборудования обязанности по техническому обслуживанию (смена инструмента, подналадка и др.) должны быть возложены исключительно на специально подготовленного работника соответствующего квалификационного уровня.

Следует отметить, что эффективное решение большинства проблем, сопровождающих организационно-техническое обеспечение тождества (8), возможно при сокращении числа промежуточных звеньев в цепи трансформации (рис. 5). Это достигается при одноступенчатом решении технологической задачи, когда на базе массива требуемых эксплуатационных свойств непосредственно формируются технологические условия изготовления детали, ориентированные на достижение результатных значений из массива , а не из промежуточных массивов , и .

Методической основой для эффективного решения проблем, возникающих в процессе конструкторско-технологического проектирования и связанных с корректностью выполнения тождества (8), а также выявления резервов снижения затрат, сопровождающих все стадии жизненного цикла детали, при оптимизации ее долговечности является инженерный анализ, который обеспечивает решение следующих основных задач:

- определение причины потери деталью работоспособности;

- установление основной причины (группы причин), ограничивающей срок использования детали в машине (сборочной единице);

- определение срока службы детали при принятой вероятности безотказной работы;

- выявление ограничений, которые могут существенно повлиять на разработку комплексов организационно-технологических мероприятий (КОТМ) по совершенствованию этапов жизненного цикла детали.

Для достижения отмеченной цели и решения перечисленных задач инженерный анализ должен включать следующие основные этапы:

1. Анализ конструкции детали и условий ее эксплуатации, включающий описание назначения детали в машине (узле); установление основных эксплуатационных свойств, определяющих ее долговечность; характеристику материала детали и его свойств; анализ функциональных поверхностей детали.

2. Анализ технологических факторов изготовления детали, определяющий фактический объем (тип) производства, вид используемой заготовки, характер используемых маршрутных технологий получения функциональных поверхностей.

3. Анализ организации эксплуатации детали, позволяющий объективно оценить условия хранения детали до начала эксплуатации, ее приработки в узле, технического обслуживания и ремонта машины (узла), а также виды применяемых к детали технологий ремонта (восстановления) и утилизации.

4. Инженерное заключение, определяющее по каждому эксплуатационному свойству причины потери деталью работоспособности; причины, ограничивающие использование детали в машине (узле); срок службы детали, соответствующий лимитирующей причине потери работоспособности; ограничения, связанные с возможным совершенствованием мероприятий жизненного цикла детали в процессе оптимизации ее долговечности.

Предлагаемая методика инженерного анализа, являясь элементом системы организационно-технологического обеспечения оптимальной долговечности деталей машин, предполагает специфический подход к организационному решению этой проблемы. Связано это с тем, что на практике в большинстве случаев оказывается, что вопросы проектирования и изготовления изделия лежат в сфере интересов изготовителя, а эксплуатации и утилизации - в сфере интересов потребителя. Такая ситуация приводит к существенному увеличению эксплуатационных затрат из-за нерационального использования ресурса отдельных деталей и неэффективного применения технологий их ремонта и восстановления. Нерешенным остается и вопрос утилизации физически и морально изношенных машин.

Применение предлагаемой системы организационно-технологического обеспечения оптимальной долговечности деталей машин позволяет восстановить баланс интересов изготовителя и потребителя. Однако для применения системы должен выполняться ряд условий, которые можно обобщить в виде следующих вариантов реализации:

1. Все этапы жизненного цикла реализуются потребителем, что соответствует случаю, когда машины (механизмы) производятся предприятием исключительно для собственных целей в пределах имеющейся компетенции.

2. Все этапы жизненного цикла (за исключением непосредственной эксплуатации) реализуются изготовителем. Вместе с тем, поддержание эксплуатационных свойств изделия на требуемом уровне в процессе его эксплуатации во многом достигается через систему технического обслуживания и ремонта, мероприятия которой в современных условиях высокопрофессионально могут организовать только специалисты предприятия-изготовителя.

3. Этапы жизненного цикла распределены между изготовителем и потребителем традиционным способом, однако в структуре их хозяйственных отношений появляется юридически независимое (и от изготовителя, и от потребителя) промежуточное звено - полномочный представитель изготовителя (ППИ), которому изготовителем делегируются «неудобные» полномочия, связанные с организацией технического обслуживания, ремонта и утилизации машин, а также передаются права на использование соответствующих «фирменных» технологий.

Пятая глава посвящена вопросам технологического повышения долговечности деталей машин лазерной обработкой.

В современных условиях наряду с традиционными технологическими методами, обеспечивающими определенный срок службы деталей, в технологии машиностроения эффективно применяются известные и активно разрабатываются новые технологии, позволяющие повышать их долговечность.

Практически все разрушения деталей машин (статические, усталостные, износные, коррозионные и др.) начинаются с их функциональных поверхностей. Одним из перспективных технологических методов формирования поверхностного слоя деталей машин является лазерное легирование. Соответствующие возможности рассмотрены на примере износостойких покрытий на основе соединений бора и хрома, получаемых с использованием энергии лазерного излучения.

Диффузионное насыщение поверхностей исследуемых образцов соединениями бора и хрома позволяет сформировать упрочненный слой толщиной 80…100 мкм с поверхностной твердостью до HV 1800. Оплавление поверхностей лучом лазера повышает их микротвердость на 10…20 %, однако небольшая глубина лазерного воздействия (до 50 мкм) не позволяет говорить о высокой эффективности получаемого покрытия. Это подтверждают и результаты испытаний образцов на контактную прочность (рис. 6). Если при однократном нагружении диаметр остаточного отпечатка на обработанных лазером поверхностях существенно (на 30…40 %) меньше, чем на необработанных, то скорость накопления деформации (тангенс угла наклона соответствующих прямых) для них гораздо выше и уже при 100 циклах нагружения диаметры остаточных отпечатков выравниваются, что указывает на разрушение упрочненного лазером слоя. Таким образом, лазерное упрочнение диффузионных покрытий целесообразно для изделий, не подвергающихся существенным контактным нагрузкам.

Создание составов обмазок для лазерного легирования предлагается начинать с простых двухкомпонентных композиций, включающих бор- и хромсодержащие вещества. На рис. 7 представлены результаты разработки состава на основе борного ангидрида (B₂O₃) и оксида хрома (Cr₂O₃). Зависимость микротвердости от содержания в обмазке B₂O₃ позволяет определить наиболее рациональное соотношение данных компонентов для каждой исследуемой стали. Контактная прочность поверхностей образцов, упрочненных лазером с использованием обмазок, обеспечивающих максимальную микротвердость, существенно выше, чем при борировании (100 % B₂O₃) или хромировании (100 % Cr₂O₃) (рис. 8). При этом на испытуемых поверхностях после 500 циклов нагружения отсутствуют трещины, сопровождающие процесс разрушения покрытия (пунктирный отрезок прямой 2 на рис. 8). Из всех исследуемых материалов наиболее высокие прочностные показатели соответствуют борохромированным слоям на стали 40Х: поверхностная микротвердость до HV 1950; диаметр остаточного отпечатка при однократном нагружении на 60 % меньше, чем на борохромированных поверхностях образцов из стали 20, и на 30 % - из стали 45.

Аналогично разработаны другие двухкомпонентные составы обмазок и определены наиболее эффективные комбинации: B₂O₃+ Cr₂O₃, B₂O₃ + феррохром, B₄C + Cr₂O₃.

Монотонный характер изменения микротвердости в доэкстремальной области (что характерно для всех исследованных составов) и диаметра остаточного отпечатка позволяет применить для оценки этих прочностных свойств и надежности их обеспечения аппарат имитационного моделирования. Имитационные модели строились в виде моделей Кобба-Дугласа:

, (11)

где Y_i - i-ый параметр поверхностной прочности или твердости; X_j - j-ый фактор технологической системы; ₀, _j - истинные значения коэффициентов, которые являются случайными нормально распределенными величинами с математическим ожиданием b₀, b_j и средним квадратическим отклонением S{b_j}. В качестве входных факторов моделей использовались: плотность излучения, длительность импульса, коэффициент перекрытия лазерного пятна и соотношение легирующих компонентов; в качестве параметров - поверхностная микротвердость и остаточная деформация после однократного нагружения поверхности.

Компьютерная обработка результатов экспериментов позволила получить имитационные модели и ранговые диаграммы значимости факторов (рис. 9). Характерным является тот факт, что для различных двухфазных систем и всех исследуемых сталей наибольшую значимость имеют мощность лазерного излучения и соотношение легирующих компонентов. Длительность импульса в большинстве случаев малозначима или незначима вообще, еще меньшую значимость имеет коэффициент перекрытия. Экспериментально показано, что длительность импульса и коэффициент перекрытия в большей степени влияют на глубину и равномерность распределения свойств упрочненного слоя.

Показатели надежности определялись путем обработки результатов машинного эксперимента над имитационными моделями, который реализуется путем N прогонов соответствующей модели на ЭВМ по схеме Монте-Карло. При этом для параметра Y_i имеет место следующая формулировка задачи:

- вычислить N значений функции

Yi = f (X₁, X₂,...X_j,... X_k; b₀, b₁,... b_j,... b_k; S{₀}, S{₁},... S{_j},... S{_k}), (12)

, (13)

где X₁,... X_k - значения входных факторов технологической системы; b₀, b₁,... b_k - математические ожидания коэффициентов имитационной модели; S{₀}, S{₁},... S{_k} - их среднеквадратические отклонения; RNDN_j (b_j; S{_j}) - нормально распределенное случайное число с параметрами распределения b_j и S{_j}.

Результаты машинного эксперимента над имитационными моделями поверхностной микротвердости и диаметра остаточного отпечатка позволяют получить графические зависимости вида

, (14)

характеризующие вероятность попадания значений параметра Y_i в интервал при различных значениях ( - предсказанное значение параметра).

Проведенный анализ надежности обеспечения параметров поверхностной микротвердости и остаточного отпечатка позволяет сделать заключение о целесообразности использования для лазерного легирования изделий из стали 45 обмазки состава B₂O₃ + Cr₂O_3, а из сталей 20 и 40Х - B₄C + Cr₂O₃ и B₂O₃ + феррохром. При этом для стали 40Х предпочтение следует отдать составу на основе карбида бора и окиси хрома, который кроме достаточно высокой надежности обеспечения рассматриваемых параметров (P _{= 0,15} > 0,9) позволяет достичь максимальной поверхностной микротвердости при минимальном диаметре остаточного отпечатка.

Графические зависимости P = f(), приведенные на рис. 10, позволяют сравнить надежность обеспечения поверхностных прочностных свойств стали 45 лазерным борохромированием с результатами лазерного оплавления плазменных покрытий из нитрида титана (TiN). Следует отметить, что хотя по абсолютным значениям исследуемых параметров борохромированные слои несколько уступают покрытиям на основе TiN, надежность обеспечения микротвердости и контактной прочности при их использовании существенно выше.

...