Автоматизація процесу відновлення гільз циліндрів сільськогосподарської техніки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизація процесу відновлення гільз циліндрів сільськогосподарської техніки

Вступ

деформування гільза сільськогосподарський техніка

Ресурс двигунів внутрішнього згорання сільськогосподарської техніки багато в чому визначається технічним станом гільз циліндрів. Заміна гільз при ремонті двигунів щорічно потребує значних капітальних витрат, тому що повторно без відновлення можна використовувати тільки 11% гільз. У той же час гільза є не тільки найбільш відповідальною деталлю, але й достатньо складною для відновлення. У зв'язку з цим поширені різноманітні методи відновлення гільз, одним з яких є метод термопластичного деформування. Параметри відновленої цим методом гільзи можна істотно поліпшити, якщо автоматизувати операцію відновлення поверхні з урахуванням ступеня зносу гільзи по висоті. При цьому у відновленої гільзи досягається рівномірно відновлена поверхня, мінімальний припуск на необхідне механічне опрацювання, що дозволяє зменшити зйом внутрішнього шару з підвищеною твердістю, зносостійкістю і дає можливість повторного відновлення гільзи.

Тому дослідження, спрямовані на розробку системи автоматичного управління процесом відновлення гільз циліндрів сільськогосподарської техніки методом термопластичного деформування, що якісно покращує відновлені гільзи, у даний час є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами та темами. Робота виконана у відповідності до тематики Державної програми "Розробити технології та універсальні засоби технологічного оснащення відновлення деталей гідророзподільників з електрогідравлічним керуванням і штоків гідроциліндрів" з державним реєстраційним №0196U018930 на 1996 - 1998 р.р. та наукових програм Кіровоградського інституту сільськогосподарського машинобудування.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є підвищення ефективності технологічного процесу відновлення гільз циліндрів сільськогосподарської техніки методом термопластичного деформування та покращення якості відновлених гільз шляхом розробки системи автоматичного управління.

У відповідності з поставленою метою визначені основні задачі дослідження:

1. Шляхом чисельного моделювання сформулювати і обгрунтувати зв`язок між швидкістю переміщення гільзи відносно джерела тепла та розподілом залишкових зміщень відновлюваної поверхні гільзи і на цій основі сформулювати закон управління технологічним процесом.

2. Виявити механізми і закономірності процесу деформування гільзи, встановити вплив на нього параметрів теплового навантаження, а також встановити область допустимих значень технологічних параметрів.

3. Здійснити вибір і обгрунтування використання елементів системи автоматичного управління, яка реалізує встановлений закон управління.

4. Розробити систему автоматичного управління і провести її виробничі іспити, а також техніко-економічну оцінку.

Наукова новизна одержаних результатів. 1. На основі результатів математичного моделювання встановлено зв'язок між швидкістю переміщення гільзи відносно джерела тепла та розподілом залишкових зміщень на відновленій поверхні гільзи.

2. Визначено механізми та закономірності деформування гільз в процесі відновлення, зокрема встановлено, що основним механізмом є термопластичне обтиснення розігрітої окружної частки гільзи її холодними частинами.

3. Встановлені вплив технологічних параметрів на залишкове переміщення, область допустимих значень технологічних параметрів згідно критеріїв по температурі та інтенсивності напружень.

4. Сформульовано та обгрунтовано закон управління швидкістю переміщення гільзи відносно джерела тепла в залежності від розподілу зносу по її висоті. Розроблена методика обчислення параметрів закону управління для різних типів гільз.

5. Обгрунтовано структуру та параметри підсистеми виміру зносу гільзи, вихідний сигнал якої інваріантний до дестабілізуючих чинників.

Практичне значення одержаних результатів. 1. Розроблено закон управління процессом відновлення гільз циліндрів, який забезпечує мінімальний припуск на подальше оброблення, відсутність небажаних аустеніт-мартенситних структурних перетворень в матеріалі, а також механічного руйнування гільзи.

2. Обгрунтовано пристрій спряження, що дозволяє забезпечити обмін даними персонального комп'ютера з технологічним устаткуванням, а також перетворення цифрових і аналогових сигналів.

3. Розроблено функціональну схему і технічне забезпечення САУ відновлення гільз циліндрів.

4. Розроблена система автоматичного управління процесом відновлення гільз циліндрів методом термопластичного деформування, що дозволяє відновлювати нерівномірно зношені по висоті гільзи з мінімальним зніманням металу при подальших ремонтних технологічних операціях.

5. Використання розробленої САУ дозволяє за рахунок автоматизації процесу відновлення гільз: зменшити час відновлення гільз циліндрів, забезпечити необхідну якість гільз, що відновлюються, зменшити енерговитрати в процесі відновлення гільз.

Особистий внесок здобувача. Запропонований та обгрунтований закон управління процесом відновлення гільз циліндрів методом термопластичного деформування, що дозволяє відновлювати гільзу з мінімальним припуском на наступну механічну обробку. На основі математичної моделі процесу відновлення виявлені впливи технологічних параметрів на компенсацію зносу гільз. Визначено область допустимих значень параметрів управління процесом відновлення. На підставі теоретичних досліджень запропонована методика визначення параметрів закону управління для різноманітних типів гільз.

Запропоновано підсистему виміру зносу гільзи, вихідний сигнал якої інваріантний до дестабілізуючих чинників. Розроблено функціональну схему САУ, яка дозволяє точно і якісно управляти технологічним устаткуванням.

Загальна частка участі в надрукованих у співавторстві статтях складає 30-70%.

Апробація роботи. Основні положення і результати роботи були заслухані й обговорені: на міжнародній науково-технічній конференції "Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві" (Глеваха 1997); на I міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми конструювання, виробництва й експлуатації сільськогосподарської техніки" (Кіровоград 1997); на науково-технічних конференціях викладачів, аспірантів і співробітників Кіровоградського інституту сільськогосподарського машинобудування (1996-98 роки).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи опубліковано у 7 статтях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури, який нараховує 131 найменування, 6 додатків. Загальний обсяг дисертації 156 сторінок, в тому числі 6 таблиць, 50 малюнків.

Обгрунтовано актуальність роботи, викладено основні положення, які виносяться на захист.

1. "Стан питання, мета і задачі дослідження"

Аналіз існуючих технологій відновлення гільз циліндрів сільськогосподарської техніки показав, що в даний час використовується декілька методів, одним з яких є метод термопластичного деформування. Суть його полягає в тому, що за допомогою струмів високої частоти відбувається швидкий місцевий нагрів із наступним швидким охолодженням водою. Переміщення гільзи відносно джерела нагрівання і охолодження дозволяє створити в ній температурне поле, що характеризується вісьовим по висоті гільзи температурним градієнтом великої крутизни, в результаті якого виникають теплові напруги, що різко змінюються. При цьому нагрітий метал деформується, і після охолодження виникають залишкові переміщення, що забезпечують відновлення внутрішньої поверхні гільзи.

Поряд із великим числом переваг цьому методу властиві деякі недоліки. Зокрема, при роботі гільза зношується не рівномірно по висоті. Тому, при використанні традиційної схеми, відновлена поверхня, що утвориться, буде не рівномірна, що приводить до підвищеного зйому внутрішнього шару з підвищеною твердістю, зносостійкістю.

Якісно поліпшити процес відновлення можливо шляхом автоматичного керування ступенем нагрівання по висоті гільзи в залежності від зносу. Такий підхід дає можливість одержати відновлену гільзу з рівномірною по висоті поверхнею і при цьому врахувати величину припуску на наступну механічну обробку.

В результаті проведеного аналізу технологічного процесу відновлення гільз циліндрів сформульовані основні вимоги до системи управління цим процесом.

Система автоматичного управління повинна здійснювати вмикання і вимикання нагрівання й охолодження гільзи, вимір кривої зносу гільзи незалежно від впливу зовнішніх чинників, управління переміщенням гільзи відносно джерел нагрівання й охолодження за законом, що забезпечує мінімальний припуск на послідуючу механічну обробку, мати просту конструкцію, низьку собівартість.

Аналіз розроблених аналогічних систем показав, що вони не повною мірою відповідають пред'явленим до них вимогам, не забезпечують необхідної якості відновленної гільзи. Виходячи з аналізу, зроблено висновок, що управління ступенем нагріву можна здійснити двома методами: по-перше, зміною величини струму, що протікає через індуктор у залежності від величини зносу; по-друге, зміною швидкості руху гільзи відносно індуктора в залежності від величини зносу при постійному струмі в індукторі.

Встановлено також, що систему автоматичного управління процесом відновлення гільз циліндрів методом термопластичного деформування, що відповідає сформульованим вимогам, переважно засновувати на другому методі управління ступенем нагрівання.

Дотепер такі системи вивчені недостатньо, а метод не одержав чіткого теоретичного обгрунтування й аналітичного виразу. Виходячи зі сказаного, у роботі сформульовані мета і задачі дослідження.

2. "Теоретичне обгрунтування закону управління полем залишкових переміщень на поверхні гільзи, що відновлюється"

Для реалізації обраного методу управління ступенем нагрівання нами була висунута гіпотеза: значення швидкості переміщення гільзи v(z) у кожному перетині z, що забезпечують залишкове переміщення urзал, яке дорівнює

, (1)

з урахуванням припуску на послідуючу механічну обробку ?прип, є функцією значення зносу ?зн(z) у цьому ж перетині і функціоналом усього розподілу величини зносу ?зн() по висоті гільзи 0<<2H

. (2)

Відповідно до теореми Стоуна-Вейерштрасса цей нелінійний функціонал апроксимується наступним поліноміальним розкладанням

. (3)

де … - функції і параметри, що не залежать від ?зн(z), але залежать від властивостей матеріалу , геометрії гільзи та параметрів технологічного процесу. Для визначення цих параметрів необхідно знати температурний і напружено-деформований стан гільзи протягом всього технологічного процесу. Цей стан гільзи з урахуванням її пластичної деформації описується на основі результатів чисельного моделювання нелінійних термомеханічних процесів, що лежать в основі технології відновлення деталей методом термопластичного деформування.

Математичні дослідження опису стану гільзи були проведені разом зі співробітниками відділу термопружності Інституту Механіки ім. С.П.Тимошенка Національної Академії Наук України.

Математична модель термопластичного стану гільзи під час технологічного процесу включає крайову задачу теплопровідності і задачу квазистатичної рівноваги пружнопластичного тіла. Для опису в'язкопластичної поведінки матеріалу використовувалась узагальнена теорія течії Боднера-Партома.

Задача розв'язувалась за допомогою чисельного метода кінцевих елементів. Варіаційні рівняння задачі записуються в Лагранжевій формі, відповідно крайова задача теплопровідності

та задача квазистатичної рівноваги тіла

Інтегрування ведеться по площі меридіонального перетину F і його контуру S. Кома на рівні індексів означає диференціювання по відповідній після коми координаті . Використовується восьмивузловий чотирьохкутовий елемент. Задача розв'язується за допомогою крокової схеми за часом. При цьому на кожному кроці нелінійна задача пластичності розв'язується методом простої ітерації.

На підставі цієї моделі були встановлені механізми і досліджені закономірності відновлення гільз циліндрів методом термопластичного деформування. При цьому результати, отримані з використанням описаної методики знаходяться в достатній якісній і кількісній відповідності з практичними результатами по відновленню гільз циліндрів методом термопластичного деформування.

Були проведені дослідження визначення характеру впливу технологічних параметрів на результуючу величину відновлення - залишкового переміщення ur. Характер отриманих розподілів відображає загальну закономірність, яка виражається в наявності крайових ефектів для переміщень (рис. 1). Ці дослідження дозволили зокрема визначити, що: крайовий ефект найбільше помітний при малих швидкостях, в цілому залишкові переміщення збільшуються зі зменшенням швидкості.

Вплив технологічних параметрів повинен бути цілеспрямованим і обмеженим, щоб уникнути небажаних структурних перетворень у матеріалі та механічної руйнації гільзи від внутрішніх напруг. Тому до системи рівнянь термомеханічного стану гільзи були додані обмеження по температурі та міцності

де V - об'єм тіла; Т - час технологічного процесу; ? - температура тіла; ? - показник міцності; ?R, ?R - максимально допустимі значення температури та міцності відповідно; АС1 - температура критичної точки початку утворення аустеніта.

Вони відповідно обмежують область припустимих значень технологічних параметрів (Q, v, hr) теплового навантаження гільзи (рис.2). Штрих-пунктирними лініями показані значення характерного залишкового переміщення у відновленої гільзи відповідно до критерію оптимальності з урахуванням значення залишкового переміщення

, (7)

де r0 - внутрішній діаметр гільзи; HR - довжина робочої зони гільзи.

Поверхні S? (обмежена контуром Т1Т2Т5Т6) і S? (обмежена контуром Т2Т3Т4Т5) відповідають обмеженням по температурі та міцності відповідно.

Область припустимих значень параметрів технологічного процесу

В результаті проведених теоретичних досліджень було встановлено, що на величину швидкості найбільше впливають два перших члени розкладання (3). Тому в якості закону управління були взяті перші два члени рівняння узагальненого закону управління

v(z)=v0???зн(z), (8)

де v0 - постійна базова швидкість переміщення гільзи, ? - постійний коефіцієнт. Величина v0 визначається, в основному, значенням припуску ur параметр ? характеризує масштаб зміни швидкості з урахуванням її кореляції з полем зносу ?зн(z) і обидва визначаються для конкретної гільзи методом чисельного моделювання.

Таким чином, на підставі теоретичних досліджень розроблена методика, яка дозволяє визначати параметри закону управління для різних типів гільз.

3. "Розробка системи автоматичного управління технологічним процесом"

Проведені дослідження дозволили розробити функціональну схему системи автоматичного управління, що реалізує запропонований закон управління (рис.3). Основними блоками, що входять до складу системи автоматичного управління, є підсистеми виміру величини зносу управління нагріванням, охолодженням і рухом столу установки для кожної з яких були обгрунтовані й обрані технічні засоби автоматики. Підсистеми управління нагріванням і охолодженням є розімкненими системами і виконують функцію двохпозиційного управління вмиканням й вимиканням відповідно нагріванням і охолодженням. У якості керованого параметра для підсистеми управління охолодженням обрана витрата води (М), яка протягом всього технологічного процесу постійна і розраховується на основі обчисленого коефіцієнта тепловіддачі для конкретного типу гільз в результаті чисельного моделювання. Вмикання і вимикання охолодженням здійснюється електромагнітним соленоїдним виконавчим механізмом (ВМ). Нагрів здійснюється одновитковим індуктором, який живиться ламповим генератором (ВчУН) із частотою 440 кГц. Потужність (Q) лампового генератора протягом технологічного процесу постійна і визначається на основі чисельного моделювання для конкретного типу гільз. Вмикання і вимикання нагрівання здійснюється електронним ключем керованого САУ, включений замість реле часу нагрівання в ланцюзі управління лампового генератора. ПС - пристрій спряження; Xi[n] - керуючі цифрові сигнали від ЕОМ; Uтп - напруга на тиристорний перетворювач; Uдв - напруга управління двигуном; Uвм - напруга на виконавчий механізм; Uв - напруга на ВчУН; ?в -- частота обертання вала двигуна; v - лінійна швидкість переміщення столу установки; Uд(р), Uд[n] - напруга з датчика; Uтх(р), Uтх[n] - напруга з тахогенератора.

Функціональна схема САУ відновлення гільз циліндрів

Підсистема виміру зносу формує вхідний вплив для підсистеми управління переміщенням столу установки. Вимір величини зносу гільзи по висоті в процесі відновлення здійснюється індуктивним датчиком переміщення (Д). Для усунення впливу температури та струмів високої частоти на результати вимірів запропоноване використання двох датчиків, включених по диференційній схемі. Чутливий елемент одного датчика знаходиться у безпосередньому контакті з поверхнею гільзи, а чутливий елемент другого датчика закріплений нерухомо. Для одержання більш якісного сигналу з диференційної схеми був розроблений активний смуговий фільтр (П), що розрахований на пропускання сигналу робочої частоти датчиків з вузькою смугою пропускання. Проведені дослідження такої схеми вмикання датчиків підтвердили незалежність вихідного сигналу схеми від впливу вищеназваних чинників (рис. 4). Підсистема управління рухом столу установки, на який установлюється гільза, є замкненою цифровою системою автоматичного управління по відхиленню. ЕОМ, використовуючи запропонований закон управління (8) з параметрами для конкретної гільзи і величину сигналу від тахогенератора (Тх) виробляє сигнал неузгодженості, який через тиристорний перетворювач (Тп) подається на двигун (Дв). Редуктор (Ред) перетворює обертання вала двигуна в поступальний рух столу установки.

Залежність похибки підсистеми виміру від відстані між індуктором і датчиком: 1- при впливі, 2 - при компенсації впливу температури повітря і струму високої частоти. Для отримання стійкої системи з аперіодичним характером перехідного процесу був проведений синтез цифрової системи автоматичного управління переміщенням столу з гільзою із застосуванням дискретного перетворення Лапласа (z - перетворення) та частотних методів досліджень й введена дискретна корегувальна ланка. Визначено якісні характеристики: тривалість перехідного процесу 0,16 с, максимальне перерегулювання 1,17%. У ЕОМ програмно реалізований пристрій порівняння і цифровий регулятор (ЦР), що зображені в складі комп'ютера. По розробленій функціональній схемі системи автоматичного управління був складений алгоритм керуючої програми (рис. 5).

4. "Технічна реалізація наукових результатів та дослідження системи автоматичного управління"

На підставі технологічних вимог результатів теоретичних і лабораторних досліджень розроблено пристрій спряження керуючої ЕОМ і зовнішніх пристроїв, який дозволяє формувати необхідної форми і величини сигнали для керуючої ЕОМ і технічних засобів, реалізуючи керуючі впливи. Пристрій спряження забезпечує повну сумісність по швидкодії при обміні інформацією між керуючою ЕОМ і зовнішніми пристроями. Він виконаний на одній друкованій платі у вигляді слота, який вставляється в ISA-роз`єм керуючої ЕОМ.

Програмне забезпечення керуючої оболонки розроблено на візуальній об'єктно-орієнтованій мові програмування Delphi 3.0.

Рис. 5 Алгоритм керуючої програми

В результаті проведених виробничих іспитів було встановлено, що САУ забезпечує управління процесом відновлення гільз циліндрів автотракторних двигунів методом термопластичного деформування протягом тривалого часу, програмне забезпечення адекватно відслідковує і коректує хід технологічного процесу. Використовуючи статистичну обробку результатів експериментальних досліджень було визначено: діапазон 0,76?10-3-1,16?10-3 м, середнє значення 0,96?10-3 м припуску по діаметру на послідуючу механічну обробку, значення овальності 0,01-0,17?10-3 м і конусності 0,09-0,2?10-3 м, які одержані в результаті відновлення гільз системою автоматичного управління.

Очікуваний економічний ефект від впровадження САУ при програмі відновлення 10 тис. гільз циліндрів склав 1998,3 грн., а термін окупності капітальних витрат дорівнює 1,2 року.

Висновки

1. Автоматизація процесу відновлення гільз циліндрів методом термопластичного деформування дозволяє якісно поліпшити відновлювану гільзу за рахунок управління відновленням гільзи згідно закону управління рухом гільзи відносно джерела нагріву в залежності від величини зносу в кожному перетині.

2. В результаті проведеного математичного аналізу термопластичної деформації виявлені механізми і закономірності процесу відновлення, вплив технологічних параметрів на зміну внутрішнього діаметру гільзи, визначена область припустимих значень параметрів відновлення та запропоновані їх раціональні значення з урахуванням обмежень по температурі нагрівання і міцності виробу, що дозволило сформулювати та обгрунтувати закон управління процесом відновлення.

3. Запропонована методика визначення параметрів закону управління дозволяє визначити їх для різних типів гільз. Для гільзи типу ЯМЗ-236 постійна базова швидкість v0=3?10-3 м/с, коефіцієнт кореляції масштабу швидкості з полем зносу ?=1,98 с-1.

4. Розроблений закон управління процесом відновлення гільз циліндрів забезпечує мінімальний припуск для залишкової обробки гільзи, відсутність небажаних аустеніт-мартенситних структурних перетворень в матеріалі, а також виключає можливість механічного руйнування гільзи.

5. Обгрунтовано вимірювання величини зносу гільзи по висоті за допомогою підсистеми виміру на основі обраного датчика, розміщення якого здійснено з урахуванням впливу зовнішніх факторів.

6. На підставі проведених досліджень розроблена загальна функціональна схема САУ відновлення гільз циліндрів, здійснено обгрунтований вибір технічних засобів САУ, проведено синтез цифрової САУ руху столу установки: розраховане різницеве рівняння; система перевірена на стійкість, використовуючи логарифмічні частотні характеристики; визначені показники якості регулювання, які в достатій мірі відповідають технічним вимогам.

7. Враховуючи аналіз параметрів технологічних процесів і функціональних можливостей технічних засобів автоматики, розроблене технічне і програмне забезпечення САУ відновлення гільз.

8. Проведені виробничі іспити підтвердили працездатність САУ і забезпечення управління процесом відновлення гільз циліндрів методом термопластичного деформування за запропонованим законом управління. В результаті проведеної статистичної обробки результатів визначені характиристики припуску для послідуючої механічної обробки, які одержані в результаті відновлення гільз системою автоматичного управління. Очікуваний економічний ефект від впровадження САУ відновленням зносу гільз циліндрів при програмі відновлення 10 тис. штук склав 1998,3 грн. при терміні окупності капітальних витрат 1,2 року.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Якименко С.М., Хромов В.М., Зозуля В.А. Автоматизація розрахунку пружнодеформованого стану деталей, відновлених термопружнопластичною деформацією // Проблеми підвищення надійності і довговічності машин. Зб. наук. праць. - Кіровоград: КІСМ.-1996. - с.21-25.

2. , Хромов В.Н., Зозуля В.А. Обоснование возможности автоматизированного управления оптимальным напряженно-деформированным состоянием деталей, восстановленных термо-упруго-пластическим деформированием металла// Проблеми автоматизації та енергозабезпечення в сільському господарстві і машинобудуванні. Зб. наук. ст.- Кіровоград: КІСМ.- 1996.Вип. 2- с.64-73.

3. Хромов В.Н., Сенченков И.К., Вихрова Л.Г., Зозуля В.А. Теоретические предпосылки для автоматизации и управления технологией восстановления и упрочнения деталей // Материаловедение и ремонт сельскохозяйственной техники: Труды /Таврическая государственная агротехническая академия. - Т.1. - Мелитополь: ТГАТА.-1997. Вып.3.- с.59-65.

4. Сенченков И.К., Хромов В.Н., Семененко А.И., Матвиенко О.И., Овсянкин В.В., Червинко О.П., Зозуля В.А. Метод термопластического деформирования - экологически чистый и ресурсосберегающий способ восстановления деталей машин // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 1997.-№5.-с.25-32.

5. Сенченков И.К., Вихрова Л.Г., Зозуля В.А. Исследования влияния технологических параметров на изменение внутреннего диаметра гильзы // Збірник наукових праць Кіровоградського інституту сільськогосподарського машинобудування /техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. -Кіровоград: КІСМ.- 1998. Вип. 3- с.121-126.

6. Зозуля В.А. Автоматизация и управление технологией восстановления деталей // Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки. Зб. наук. праць.- Кіровоград: КІСМ.- 1997. - с.209-212.

7. Зозуля В.А. Определение оптимальных параметров закона управления САУ процесса восстановления гильз цилиндров // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету /техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. - Кіровоград: КДТУ.-1999. Вип. 5- с.198-203.

Размещено на Allbest