Помощь студентам в учебе
КОНЦЕПЦИЯ ВИБРОЗАЩИТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ВИБРОМОНИТОРИНГА ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОЙ МЕХАНООБРАБОТКИ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 7
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ
ВИБРОМОНИТОРИНГА И СПОСОБОВ ВИБРОЗАЩИТЫ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
1.1 Анализ и систематизация причин возникновения импульсно-вибрационных
воздействий на элементы ТС и их математических моделей 21
1.2 Анализ существующих приборов и СПМО для вибромониторинга элементов
ТС 30
1.3 Анализ существующих методов тестового и функционального мониторинга
элементов ТС 34
1.4 Способы виброзащиты элементов ТС 38
1.4.1 Анализ существующих методов виброзащиты элементов ТС
технологическими способами 39
1.4.2 Анализ существующих методов виброзащиты элементов ТС конструкционными способами 40
1.4.2.1 Существующие способы виброзащиты элементов ТС от «внешних»
источников вибрационных воздействий 41
1.4.2.2 Существующие способы виброзащиты элементов ТС от «внутренних»
источников вибрационных воздействий 43
1.5 Выводы 48
ГЛАВА 2. КОНЦЕПЦИЯ ВИБРОЗАЩИТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИ
СТЕМЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ВИБРОМОНИТОРИНГА
2.1 Технологические критерии эффективности механообработки 50
2.2 Критерии вибромониторинга 52
2.3 Приборы и специальное программно-математическое обеспечение для определения технологических параметров эффективности механообработки 68
2.4 Приборы и специальное программно-математическое обеспечение
вибромониторинга 71
2.5 Приборы для тестового вибромониторинга 72
2.5.1 Устройство определения динамической жесткости несущих элементов
металлорежущих станков 72
2.5.2 Устройство для измерения демпфирующих свойств материалов 73
2.5.3. Устройство для подсоединения диагностического оборудования и
перераспределения потоков при диагностировании гидросистем 74
2.5.4 Вибратор возбуждения вибрации для воздействия на виброопоры
ТС 75
2.6 Стенды для физического моделирования динамических процессов в
технологической системе 79
2.7 Математические модели «внешних» и «внутренних» источников импульсно
вибрационных воздействий в ТС и конструкторско-технологические способы виброзащиты 82
2.7.1 Возбуждение вибрации в ТС от «внешнего» источника вибрации 85
2.7.1.1 «Силовое» возбуждение вибрации в ТС 85
2.7.1.2 «Кинематическое» возбуждение вибрации в ТС 86
2.7.2 ММ при возбуждении вибрации в ТС от «внутренних» источников
вибрации и ее снижение технологическими способами 88
2.7.2.1 Вибрации в системе «инструмент-деталь» 88
2.7.2.2 Вибрации в системе «инструмент-шпиндель» 92
2.7.2.3. Вибрации в системе «деталь-приспособление» 96
2.7.2.4 Математические модели при возбуждении вибрации в ТС от «внутренних»
источников вибрации и ее снижение конструкционными способами 98
2.7.2.4.1 Вибрации в системе «деталь - динамический виброгаситель» 98
2.7.2.4.2 Вибрации в системе «деталь - ударный односторонний
виброгаситель» 99
2.7.2.4.3 Вибрации в системе «деталь - виброгаситель вязкого трения» 100
2.7.2.4.4 Вибрации в ТС при наличии люфтов в ШВП и в других подвижных
элементах 102
2.7.2.4.5 Вибрации в ТС при наличии дисбаланса 103
2.8 Основные положения концепции виброзащиты 106
2.9 Выводы 108
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
3.1 Характеристики применяемых виброанализаторов, датчиков, СПМО для
вибромониторинга 109
3.2 Методика выбора режимов информационной обработки параметров вибрации 111
3.3 Последовательность настройки программы мониторинга 113
3.4 Пример отчета сравнения серий измерений для двух фрез 122
3.5 Выводы 128
ГЛАВА 4. СНИЖЕНИЕ УРОВНЯ ВИБРАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ВИБРОМОНИТОРИНГА
4.1 Алгоритм проведения исследований для определения параметров методом
функционального вибромониторинга 129
4.2 Снижение уровня вибрации при механообработке конструкционных сталей коррекцией режимов механообработки и геометрии инструмента для повышения
производительности 132
4.3 Анализ причин повышенного уровня вибрации при механообработке конструкционных сталей торцевыми фрезами 138
4.4 Сравнительная эффективность механообработки конструкционных сталей
фрезами по ГОСТ 23248-78 и фрезой с волнообразной режущей кромкой и особенности ее геометрии 146
4.5 Сравнительная экономическая эффективность и стойкость инструмента при
механообработке титановых сплавов фрезами по ГОСТ 23248-78 и фрезой с волнообразной режущей кромкой 154
4.6. Сравнительная эффективность механообработки по величине шероховатости заготовки из титанового сплава фрезами по ГОСТ 23248-78 и фрезой с волнообразной режущей кромкой 163
4.7 Обоснование полученных результатов 166
4.8 Снижение уровня вибрации изготовлением элементов ТС с повышенными демпфирующими свойствами многослойной многокомпонентной
наплавкой 169
4.9 Выводы 173
ГЛАВА 5. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНООБРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ ВИБРОЗАЩИТЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ВИБРОМОНИТОРИНГА
5.1 Алгоритм определения параметров виброгасителей по результатам функционального и тестового вибрационного мониторинга конструкционными
способами 175
5.2 Методы повышения эффективности механообработки виброзащиты конструкционными способами от «внешних» воздействий 177
5.2.1 Виброгасящая опора оборудования 177
5.2.2 Виброгаситель источника вибрации 183
5.3 Методы повышения эффективности механообработки виброзащиты конструкционными способами от «внутренних» воздействий 186
5.3.1 Виброгаситель вязкого трения 186
5.3.2 Виброгаситель для подвижного узла станка 191
5.3.3 Виброгаситель динамический 194
5.3.4 Виброгаситель ударного типа односторонний 196
5.3.5 Виброгаситель автобалансирующий 200
5.4 Выводы 203
ГЛАВА 6. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВ ТЕ
СТОВОГО ВИБРАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА
6.1 Устройства для определения динамической жесткости несущих элементов
ТС 204
6.2 Устройства для определения динамической жесткости несущих
элементов ТС 205
6.3 Методика для вибромониторинга гидропривода станка 208
6.4 Устройства для определения демпфирующих свойств материалов и
узлов 212
6.5 Устройства симуляции тестового воздействия «внешнего» импульсновибрационного источника 218
6.6 Выводы 222
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 224
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 226
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 227
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 231
ПРИЛОЖЕНИЕ № 1 267
ПРИЛОЖЕНИЕ № 2. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 277
ПРИЛОЖЕНИЕ № 3. СЕРТИФИКАТЫ, УДОСТОВЕРЕНИЯ, ДИПЛОМЫ 290
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ
ВИБРОМОНИТОРИНГА И СПОСОБОВ ВИБРОЗАЩИТЫ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
1.1 Анализ и систематизация причин возникновения импульсно-вибрационных
воздействий на элементы ТС и их математических моделей 21
1.2 Анализ существующих приборов и СПМО для вибромониторинга элементов
ТС 30
1.3 Анализ существующих методов тестового и функционального мониторинга
элементов ТС 34
1.4 Способы виброзащиты элементов ТС 38
1.4.1 Анализ существующих методов виброзащиты элементов ТС
технологическими способами 39
1.4.2 Анализ существующих методов виброзащиты элементов ТС конструкционными способами 40
1.4.2.1 Существующие способы виброзащиты элементов ТС от «внешних»
источников вибрационных воздействий 41
1.4.2.2 Существующие способы виброзащиты элементов ТС от «внутренних»
источников вибрационных воздействий 43
1.5 Выводы 48
ГЛАВА 2. КОНЦЕПЦИЯ ВИБРОЗАЩИТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИ
СТЕМЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ВИБРОМОНИТОРИНГА
2.1 Технологические критерии эффективности механообработки 50
2.2 Критерии вибромониторинга 52
2.3 Приборы и специальное программно-математическое обеспечение для определения технологических параметров эффективности механообработки 68
2.4 Приборы и специальное программно-математическое обеспечение
вибромониторинга 71
2.5 Приборы для тестового вибромониторинга 72
2.5.1 Устройство определения динамической жесткости несущих элементов
металлорежущих станков 72
2.5.2 Устройство для измерения демпфирующих свойств материалов 73
2.5.3. Устройство для подсоединения диагностического оборудования и
перераспределения потоков при диагностировании гидросистем 74
2.5.4 Вибратор возбуждения вибрации для воздействия на виброопоры
ТС 75
2.6 Стенды для физического моделирования динамических процессов в
технологической системе 79
2.7 Математические модели «внешних» и «внутренних» источников импульсно
вибрационных воздействий в ТС и конструкторско-технологические способы виброзащиты 82
2.7.1 Возбуждение вибрации в ТС от «внешнего» источника вибрации 85
2.7.1.1 «Силовое» возбуждение вибрации в ТС 85
2.7.1.2 «Кинематическое» возбуждение вибрации в ТС 86
2.7.2 ММ при возбуждении вибрации в ТС от «внутренних» источников
вибрации и ее снижение технологическими способами 88
2.7.2.1 Вибрации в системе «инструмент-деталь» 88
2.7.2.2 Вибрации в системе «инструмент-шпиндель» 92
2.7.2.3. Вибрации в системе «деталь-приспособление» 96
2.7.2.4 Математические модели при возбуждении вибрации в ТС от «внутренних»
источников вибрации и ее снижение конструкционными способами 98
2.7.2.4.1 Вибрации в системе «деталь - динамический виброгаситель» 98
2.7.2.4.2 Вибрации в системе «деталь - ударный односторонний
виброгаситель» 99
2.7.2.4.3 Вибрации в системе «деталь - виброгаситель вязкого трения» 100
2.7.2.4.4 Вибрации в ТС при наличии люфтов в ШВП и в других подвижных
элементах 102
2.7.2.4.5 Вибрации в ТС при наличии дисбаланса 103
2.8 Основные положения концепции виброзащиты 106
2.9 Выводы 108
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
3.1 Характеристики применяемых виброанализаторов, датчиков, СПМО для
вибромониторинга 109
3.2 Методика выбора режимов информационной обработки параметров вибрации 111
3.3 Последовательность настройки программы мониторинга 113
3.4 Пример отчета сравнения серий измерений для двух фрез 122
3.5 Выводы 128
ГЛАВА 4. СНИЖЕНИЕ УРОВНЯ ВИБРАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ВИБРОМОНИТОРИНГА
4.1 Алгоритм проведения исследований для определения параметров методом
функционального вибромониторинга 129
4.2 Снижение уровня вибрации при механообработке конструкционных сталей коррекцией режимов механообработки и геометрии инструмента для повышения
производительности 132
4.3 Анализ причин повышенного уровня вибрации при механообработке конструкционных сталей торцевыми фрезами 138
4.4 Сравнительная эффективность механообработки конструкционных сталей
фрезами по ГОСТ 23248-78 и фрезой с волнообразной режущей кромкой и особенности ее геометрии 146
4.5 Сравнительная экономическая эффективность и стойкость инструмента при
механообработке титановых сплавов фрезами по ГОСТ 23248-78 и фрезой с волнообразной режущей кромкой 154
4.6. Сравнительная эффективность механообработки по величине шероховатости заготовки из титанового сплава фрезами по ГОСТ 23248-78 и фрезой с волнообразной режущей кромкой 163
4.7 Обоснование полученных результатов 166
4.8 Снижение уровня вибрации изготовлением элементов ТС с повышенными демпфирующими свойствами многослойной многокомпонентной
наплавкой 169
4.9 Выводы 173
ГЛАВА 5. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНООБРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ ВИБРОЗАЩИТЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ВИБРОМОНИТОРИНГА
5.1 Алгоритм определения параметров виброгасителей по результатам функционального и тестового вибрационного мониторинга конструкционными
способами 175
5.2 Методы повышения эффективности механообработки виброзащиты конструкционными способами от «внешних» воздействий 177
5.2.1 Виброгасящая опора оборудования 177
5.2.2 Виброгаситель источника вибрации 183
5.3 Методы повышения эффективности механообработки виброзащиты конструкционными способами от «внутренних» воздействий 186
5.3.1 Виброгаситель вязкого трения 186
5.3.2 Виброгаситель для подвижного узла станка 191
5.3.3 Виброгаситель динамический 194
5.3.4 Виброгаситель ударного типа односторонний 196
5.3.5 Виброгаситель автобалансирующий 200
5.4 Выводы 203
ГЛАВА 6. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВ ТЕ
СТОВОГО ВИБРАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА
6.1 Устройства для определения динамической жесткости несущих элементов
ТС 204
6.2 Устройства для определения динамической жесткости несущих
элементов ТС 205
6.3 Методика для вибромониторинга гидропривода станка 208
6.4 Устройства для определения демпфирующих свойств материалов и
узлов 212
6.5 Устройства симуляции тестового воздействия «внешнего» импульсновибрационного источника 218
6.6 Выводы 222
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 224
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 226
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 227
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 231
ПРИЛОЖЕНИЕ № 1 267
ПРИЛОЖЕНИЕ № 2. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 277
ПРИЛОЖЕНИЕ № 3. СЕРТИФИКАТЫ, УДОСТОВЕРЕНИЯ, ДИПЛОМЫ 290
Актуальность темы. Обеспечение эффективности, надежности и безопасности работы любого технологического, транспортного и энергетического оборудования требует разработки и внедрения методов исследования процессов, влияющих на техническое состояние технических объектов производства. Снижение уровня импульсно-вибрационных воздействий достигается путем применения способов и устройств виброзащиты, с оценкой технического состояния по результатам вибромониторинга, т. е. методов тестовой и функциональной диагностики с целью выявления дефектов оборудования и контроля допустимого уровня вибрации.
Особенность виброзащиты технологического оборудования для механообработки резанием обусловлена не только требованиями надежности, но и необходимостью высокой эффективности механообработки: качества, производительности, снижения энергозатрат, обеспечения ресурса работы его элементов (стойкости инструмента). Эта специфика требований заключается в том, что рассматриваемая технологическая система (ТС), высокоэффективная работа которой определяется значительным числом факторов, состоит из следующих элементов: деталь, инструмент, приспособление, станок (система ДИПС). К основным факторам можно отнести разрабатываемый технологический процесс, включающий в себя режимы механообработки, геометрию инструмента, упруго-инерционные и диссипативные параметры элементов ТС и др. параметры, которые определяются требуемой точностью и производительностью, физико-механическими свойствами детали и инструмента, жесткостью станка и виброактивностью вышеуказанных элементов. Повышенный уровень вибрации снижает не только ресурс работы и надежность работы его элементов, но и приводит к снижению качества обработки и снижению производительности, т. е. эффективности механообработки резанием. В дальнейшем под термином эффективность механообработки понимается комплексный критерий, характеризующий качество, производительность, ресурс работы элементов ТС., энергозатраты.
Степень проработанности исследования
Фундаментальные основы изучения физико-механических процессов при механообработке резанием, а также исследования по снижению уровня вибраций разрабатывались и проводятся в различных научных школах: Станкина, ВНИИ Инструмент, МВТУ, ТюмГНГУ, ИрГТУ, БелГТУ, ОмГТУ, ТулГТУ, КузГТУ и др.: В.Н. Андреева, С.А. Васина, Б.П. Бармина, И.Г. Жаркова, А.В. Лукьянова, В.Н. Подураева, Ю.В. Подураева, В.А. Кудинова, М. Гамини, Н.А. Дроздова, Ю.И. Городецкого, А.Р. Маслова, С.Н. Григорьева, С.В. Грубого, М.П. Козочкина, В.А. Синопальникова, В.А. Потапова, М.Е. Эльясберга, Б.И. Черпакова, Н.И. Резникова, А.И. Созинова, В.М. Утенкова, Ю.М. Соломенцева, С.П. Протопопова, В.Г. Митрофанова, И.А. Соколовского, А.П. Кудрявцева, А.И. Каширина, Н.А. Дроздова, В.М. Свинина, П.А. Лонцих, Е.В. Артамонова, М.С. Чепчурова, А.Ю. Попова, В.С. Кушнер, А.Н. Короткова, С.И. Петрушина. В работах ученых ТПУ:
A. M. Розенберга, Ю.А. Розенберга, Н.Н. Зорева, М.Ф. Полетика, Г.Л. Куфарева,
B. В. Брюхова, Д.В. Кожевникова, С.В. Кирсанова, Г.И. Коровина. В работах зарубежных ученых: Y. Altintas, K. Ahmadi, R. Komandurr, Van Turcovich, A. Savilov, G. Campatelli, C. Cempel, P. Doolan, S. Engin, S. Jayaram, S.A. Jensen, S. Liang, Y. Richard, S. Sastry, H. Schulz, G. Yucesan, B. Denkena, D. Biermann, P.J. Arrazola, T. Ozel, D. Umbrello, M. Davies, I.S. Jawahir [112-138] и др.
Теоретические и экспериментальные исследования по снижению уровня вибрации в машинах, в том числе возникающих при механообработке, рассмотрены в работах: А.А. Харкевича, К.В. Фролова, А.А. Алифова, Я.Г. Пановко, И.И. Вульфсон, С.А. Васина, С.В. Елисеева, Н.К. Кузнецова, А.Д. Мижидон, С.А. Бол- суновского, В.Д. Вермель, Н.Н. Белоусовой, В.М. Свинина, А.В. Лукьянова, Ю.А. Бурьян, В.Н. Сорокина, К.В. Найгерт, Р.Н. Хамитова, К.В. Сызранцевой [139-159] и др., в работах ученых ТПУ: В.П. Нестеренко, П.Я. Крауиньша, Л.А. Саруева, А.К. Томилина, Ан-И-Кан, Г.И. Однокопылова [189-194, 280-290].
Разработки по устройствам виброгашения и их применения в производстве ведутся отечественными научными школами МГТУ, ОмГТУ, Vibrolab [148-160, 183-186, 216, 217] и др.
Математические модели (ММ) причин вынужденной вибрации и автоколебаний, возникающих при механообработке и способах их снижения, отражены в работах Н.А. Дроздова, В.А. Кудинова, М. Гамини, А.Р. Маслова, С.Н. Григорьева, И.Г. Жаркова, Ю.И. Городецкого, М.Е. Эльясберга [1, 2, 8-13, 17, 18, 22, 3236, 56-73, 77, 79, 80] и др., имеют противоречия или затруднительны в реализации. Например, при фрезеровании зона резания одновременно является и источником вибрации, и источником ее гашения вследствие изменения характеристик демпфирования при зацеплении зуба фрезы со срезаемым слоем материала.
Для снижения уровня вибрации также необходимо рассматривать методы создания материалов с заданными физико-механическими свойствами для механизмов и машин, имеющих повышенные демпфирующие свойства. Исследования в данном направлении рассмотрены в работах: В.А. Клименова, В.Е. Панина, С.В. Панина, И.А. Дитенберга, И.В. Смирнова, Д.А. Осипова, А. Хасуи, О. Моригаки, J.R. Kennedy, A.E. Davis, A.E. Caballero [195-211] и др.
Методы вибромониторинга технологического, транспортного и энергетического оборудования, в том числе для механообработки, рассмотрены в работах: И.И. Артоболевского, А.А. Харкевича, И.М. Бабакова, В.В. Болотина, В.В. Клюева, Ф.Я. Балицкого, Б.И. Черпакова, А.С. Комшина, А.В. Баркова, С.П. Бойкина, А.В. Лукьянова, В.И. Полищук, Б.Л. Герике, А.Е. Сушко, В.А. Николаева [158162, 168-171, 173-176] и др. Для идентификации причин вибрации используются спектральные методы, по которым выявляют дефекты, обусловленные электромеханическими неисправностями передач, дисбалансом вращающихся деталей станка и др. Подобного рода дефекты определяются на холостом ходу при помощи виброанализаторов и специализированного программного обеспечения , выпускаемого отечественными разработчиками: «Завод Балансировочных машин», «ДИАМЕХ», НПО «Диагностические технологии», «ВАСТ», «БАЛТЕХ», Vibrolab, «Глобал Тест» и др. В качестве критериев технического состояния технологического оборудования, нормирования признаков и причин повышенной вибрации могут быть использованы «спектральные маски» или меры сходства между эталонным и текущим состояниями элемента, а также искусственных нейронных сетей. Указанные подходы рассмотрены в работах: С.П. Бойкина, А.В. Баркова, Б.Л. Герике, А.Е. Сушко, Г.Б. Куликова, А.В. Лукьянова, Д.П. Алейникова [142, 143, 160, 162, 168-171] и др.
Вопросы выбора критериев эффективности механообработки, надежности работы технологических систем приведены в работах: Л.В. Боршовой, В.И. Свирщева, С.В. Тарасова, С.В. Сальникова, Г.Р. Муслиной, Е.Н. Ширяевой, М.А. Поляковой, Н.Ю. Луговцовой, М.С. Остапенко [212-215] и др.
Несмотря на имеющиеся теоретические подходы, применяемые технические решения обеспечения надежности объектов машиностроения, известные способы виброзащиты и методы вибромониторинга, устройств, существует ряд нерешенных проблем повышения эффективности механообработки. Это связано со сложностью контроля многофакторных и сложных физико-механических вибрационных процессов, происходящих при механообработке, динамических воздействий, возникающих при работе технологического оборудования вследствие его конструкционных особенностей, дефектов, появляющихся при эксплуатации и внешних вибрационно-импульсных воздействиях. Следует также отметить, что в конструкциях современных станочных комплексов устранены причины возникновения вибрации при механообработке и ее диагностике, однако устаревший станочный парк, который на многих предприятиях составляет от 50 до 75 %, показывает необходимость вибромониторинга и технических решений для снижения вибрации конструкционно-технологическими способами.
Вышеперечисленные факторы определяют актуальность разработки теории и методов исследования динамических процессов, влияющих на техническое состояние ТС и надежность ее работы, способов управления процессами эффективной механообработки.
В диссертационной работе решается важная научно-техническая проблема повышения эффективности механообработки за счет применения концепции виброзащиты ТС по результатам вибромониторинга.
Объект исследования: элементы ТС при импульсно-вибрационных воздействиях в процессе механообработки.
Предмет исследования: динамические процессы, влияющие на техническое состояние элементов ТС, способы управления этими процессами для снижения их негативного влияния на эффективность механообработки.
Цель исследования: разработка комплекса мер и решений виброзащиты ТС для повышения эффективности механообработки резанием при импульсно - вибрационных воздействиях по результатам вибромониторинга.
Для достижения цели решаются следующие задачи:
1. Разработка концепции виброзащиты элементов технологической системы по вибрационным и технологическим критериям при динамических воздействиях.
2. Анализ и систематизация методов и алгоритмов вибромониторинга и виброзащиты элементов ТС.
3. Совершенствование математических моделей динамических процессов при действии «внешних» и «внутренних» источников ударно-вибрационных воздействий на ТС.
4. Совершенствование методов экспериментального исследования динамических процессов в ТС.
5. Исследование методов повышения эффективности механообработки за счет обоснованных принимаемых технических решений виброзащиты технологическими способами.
6. Исследование методов повышения эффективности механообработки за счет обоснованных принимаемых технических решений виброзащиты конструкционными способами.
7. Разработка методов выбора устройств тестового вибрационного мониторинга для выявления элементов ТС, имеющих повышенный уровень вибрации и скрытые дефекты.
Методы исследования: методы описания динамических процессов в средах Matcad, Matlab (Simulinc), LabView, использованы временной и спектральный методы анализируемых сигналов. Проверка теоретических исследований проводилась на основе экспериментов на стендах путем физического моделирования в лабораторных и производственных условиях.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Концепция виброзащиты элементов ТС по вибрационным и технологическим критериям при динамических воздействиях в процессе механообработки резанием.
2. Модернизация методов исследования динамических процессов, влияющих на техническое состояние объектов машиностроения и способы управления динамическими процессами в ТС.
3. Алгоритмы повышения эффективности механообработки за счет обоснованно принимаемых технических решений виброзащиты технологическими способами.
4. Алгоритмы повышения эффективности механообработки за счет обоснованных принимаемых технических решений виброзащиты конструкционными способами.
5. Методы выбора способов и устройств для реализации тестового вибрационного мониторинга, позволяющего выявить элементы ТС, имеющие повышенный уровень вибрации.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: результатами численных и экспериментальных исследований, проведенных в производственных условиях и физического моделирования на стендах, а также применением математических моделей динамических процессов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработанная концепция позволяет сформировать систему виброзащиты элементов ТС конструкторско-технологическими способами по результатам вибромониторинга функциональным и тестовым методами, что значительно снижает временные затраты на диагностику и повышает достоверность результатов. Систематизированы математические модели динамических процессов от «внешних» и «внутренних» источников ударно-вибрационных воздействий на ТС.
2. Модернизирован метод исследования процессов, влияющих на техническое состояние объектов машиностроения и способы управления динамическими процессами в ТС, позволяющий производить комплексный вибрационный функциональный и тестовый мониторинг ее элементов, выполнить запись информации в базу данных с обработкой и анализом, осуществить выбор обоснованного технологического решения с целью разработки специального программно-математического обеспечения (СПМО) в производственных условиях.
3. Разработаны алгоритмы повышения эффективности механообработки за счет обосновано принимаемых технических решений виброзащиты технологическими способами, обеспечивающими снижение ударно-вибрационных воздействий на элементы ТС, с применением рационального выбора режимов механообработки и геометрии инструмента, а также изготовление элементов ТС, обладающих повышенными диссипативными свойствами, путем многослойной многокомпонентной наплавки из сплавов цветных металлов.
4. Разработаны алгоритмы для повышения эффективности механообработки за счет обосновано принимаемых технических решений виброзащиты конструкционными способами, обеспечивающими снижение ударно-вибрационных воздействий на элементы ТС, путем обоснованного назначения вида виброгасителей, мест их установки и алгоритмов управления инерционно-упругими и диссипативными параметрами.
5. Методы выбора устройств тестового вибрационного мониторинга для выявления элементов ТС, являющихся причиной снижения эффективности механообработки.
Практическая ценность работы
1. Разработанная концепция позволяет на стадии проектирования технологического процесса и механообработки определить критерии и способы виброзащиты.
2. Разработано СПМО для вибрационного мониторинга (имеющее государственную регистрацию), которое обеспечивает измерение вибрационных характеристик, возникающих от «внутренних» и «внешних» воздействий, запись их в базу данных, обработку и анализ, на основе которых происходит выбор рациональных конструкторско-технологических способов виброзащиты ТС.
3. Разработаны алгоритмы выбора и реализации технологических способов снижения ударно-вибрационных воздействий на элементы ТС с применением обоснованного выбора режимов механообработки и геометрии инструмента.
4. Разработаны алгоритмы выбора и реализации конструкционных способов снижения ударно-вибрационных воздействий на элементы ТС путем обоснованного назначения вида виброгасителя, расчета их упруго-инерционных и диссипативных параметров, мест их установки и алгоритмов управления по результатам мониторинга в широком диапазоне «внешних» и «внутренних» воздействий».
5. Разработаны алгоритмы использования устройств тестового вибромониторинга для выявления элементов ТС, имеющих повышенную виброактивность или скрытые дефекты, которые невозможно или затруднительно определить методом функциональной диагностики.
Личный вклад автора. Основные научные результаты, выносимые на защиту и составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: в публикациях разработаны и сформулированы принципы снижения динамических нагрузок за счет рационального выбора режимов механообработки и геометрии инструмента, принципы виброзащиты ТС конструкционными способами, математическое моделирование динамических процессов в ТС, технические решения по реализации устройств снижения импульсновибрационных воздействий на элементы ТС, устройств для создания тестовых симулирующих воздействий на элементы ТС, разработка и отладка специального программно-математического обеспечения для вибромониторинга.
Автор непосредственно участвовал в разработке программных и аппаратных средств, математических моделей, в проведении и анализе результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Реализация выводов и рекомендаций работы (См. Приложение № 1. Акты внедрения)
Результаты диссертационной работы используются и внедрены:
• в учебном процессе отделения материаловедения Национального исследова
• ООО «Сибирская машиностроительная компания», г. Томск (устройство для контроля динамической жесткости несущих элементов металлорежущих станков);
• ООО НПО «Сибирский машиностроитель», г. Томск (устройство для контроля динамической жесткости несущих элементов металлорежущих станков и гаситель колебаний ударного типа);
• ООО «Производственно-технический комплекс», г. Томск (устройство для снижения уровня вибраций при механообработке);
• «МИОН», г. Томск (программно-математическое обеспечение контроля уровня вибраций и последующего определения оптимальных режимов механообработки и геометрии инструмента;
• АО «Томский электротехнический завод», г. Томск (программноматематическое обеспечение для контроля уровня вибраций технологического оборудования;
• ООО «Корпорация Западная Сибирь», г. Томск (устройство для демпфирования ударных и вибрационных нагрузок).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных собраниях научной общественности: «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск, 2010, 2019 гг.), «Mechanical Engineering, Automation and Control Systems» (г. Томск, 2014, 2015, 2016 гг.), International Conference CAMASTech-2020 (Красноярск, 2020 г.), «Инновации в топливно-энергетическом комплексе и машиностроении» (г. Томск, 2017 г.), «Инновации в топливно-энергетическом комплексе и машиностроении» (г. Кемерово, 2017 г.), «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» (г. Томск, 2018 г.), «Интеграция науки, образования и производства - основа реализации плана нации» (г. Караганда, 2018 г.), «Aviamechanical Engineering and Transport Advances in Engineering Research» (г. Иркутск, 2019 г.), «Информационные технологии неразрушающего контроля» (г. Томск, 2015, 2016 гг.), «Инновации в неразрушающем контроле» (г. Новосибирск, 2015, 2017 гг.), «Фундаментальные проблемы теоретической и прикладной механики» (г. Казань, 2015 г.), «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2016 г.), «Измерение. Контроль. Информатизация» (г. Барнаул, 2015 г.).
Научные исследования выполнялись в рамках:
• х/д «Разработка вибровозбудителей для скважинных вибрационных источников». Отчет о НИР № 0186.0132099, Томск, 1986;
• х/д 4-64/83 «Разработка и исследование подземного вировозбудителя с объемным электрогидравлическим виброприводом на упругих оболочках». Отчет о НИР № 0183.0083169, Томск, 1988;
• х/д 4-170/11 «Разработка вибродиагностического комплекса и методики критериев для определения работоспособности фрезерного инструмента» для ООО «Производственно-технический комплекс» г. Томск, 2012;
• гранта фонда В. Потанина на создание электронного курса «Надежность и диагностика технологических систем» 2014 г. (Приложение № 2. Сертификаты, удостоверения, дипломы);
• гранта British petroleum «Разработка методики и создание мобильного аппаратно-программного комплекса для повышения эффективности процесса бурения скважин», 2014 г.;
• гранта British petroleum «Устройства для снижения динамических нагрузок на твердосплавные резцы типа PDC долота при бурении», 2015 г.;
• Государственного Задания Наука ФЦП по приоритетным направлениям №
5.1822.2017. Договор № 4.578.21.0251 от 26.09.2017. Идентификатор
0000000007417Р2А0002. «Разработка технологии интеллектуального производства ответственных пространственно-сложных фасонных деталей».
Соответствие паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности 05.02.02 Машиноведение, системы приводов и детали машин.
По пункту 1: Расширены теоретические основы, и разработаны методы исследования динамики при разработке технологического процесса и механообработки, влияющих на техническое состояние элементов технологической системы, способы управления этими процессами, на основании которых предложена концепция повышения эффективности механообработки конструкторско- технологическими способами по результатам функционального и тестового вибрационного мониторинга;
по пункту 2: Расширены теоретические основы, и разработаны методы проектирования машин и механизмов и расчета систем приводов для виброзащиты элементов ТС, а также ее тестового вибрационного мониторинга;
по пункту 3: Расширены теоретические основы, и предложены методы обеспечения надежности элементов ТС применением виброзащиты от «внешних» и «внутренних» импульсно-вибрационных воздействий;
по пункту 4: Предложены методы исследования и критерии для определения технического состояния элементов ТС при помощи рассмотренных математических моделей динамических процессов при воздействии «внешних» и «внутренних» источников для обоснованного выбора конструкционно-технологических способов виброзащиты;
по пункту 5: Повышение точности и достоверности расчетов объектов машиностроения; разработка нормативной базы проектирования, испытания и изготовления объектов машиностроения применением СПМО вибрационного мониторинга для измерения вибрационных параметров от «внутренних» и «внешних» воздействий при механообработке в производственных условиях, запись их в базу данных, обработка и анализ;
по пункту 8: Изготовление элементов технологической системы с повышенными диссипативными свойствами путём многослойной многокомпонентной наплавки из сплавов цветных металлов, использованием дуговых источников.
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 82 научных работах, в том числе: входящих в перечень ВАК для докторских диссертаций - 14 статей; в изданиях Scopus и Web of Science - 14 статьей; конференциях Scopus и Web of Scinnce - 12 работ; патентах РФ на изобретения и полезные модели - 21; свидетельствах об официальной регистрации программ для ЭВМ - 2; публикации в других изданиях - 21.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, шесть глав, заключение, список используемой литературы из 310 источников. Объем диссертации составляет 296 с., включая 138 рисунков, 16 таблиц, приложений на 29 с.
Особенность виброзащиты технологического оборудования для механообработки резанием обусловлена не только требованиями надежности, но и необходимостью высокой эффективности механообработки: качества, производительности, снижения энергозатрат, обеспечения ресурса работы его элементов (стойкости инструмента). Эта специфика требований заключается в том, что рассматриваемая технологическая система (ТС), высокоэффективная работа которой определяется значительным числом факторов, состоит из следующих элементов: деталь, инструмент, приспособление, станок (система ДИПС). К основным факторам можно отнести разрабатываемый технологический процесс, включающий в себя режимы механообработки, геометрию инструмента, упруго-инерционные и диссипативные параметры элементов ТС и др. параметры, которые определяются требуемой точностью и производительностью, физико-механическими свойствами детали и инструмента, жесткостью станка и виброактивностью вышеуказанных элементов. Повышенный уровень вибрации снижает не только ресурс работы и надежность работы его элементов, но и приводит к снижению качества обработки и снижению производительности, т. е. эффективности механообработки резанием. В дальнейшем под термином эффективность механообработки понимается комплексный критерий, характеризующий качество, производительность, ресурс работы элементов ТС., энергозатраты.
Степень проработанности исследования
Фундаментальные основы изучения физико-механических процессов при механообработке резанием, а также исследования по снижению уровня вибраций разрабатывались и проводятся в различных научных школах: Станкина, ВНИИ Инструмент, МВТУ, ТюмГНГУ, ИрГТУ, БелГТУ, ОмГТУ, ТулГТУ, КузГТУ и др.: В.Н. Андреева, С.А. Васина, Б.П. Бармина, И.Г. Жаркова, А.В. Лукьянова, В.Н. Подураева, Ю.В. Подураева, В.А. Кудинова, М. Гамини, Н.А. Дроздова, Ю.И. Городецкого, А.Р. Маслова, С.Н. Григорьева, С.В. Грубого, М.П. Козочкина, В.А. Синопальникова, В.А. Потапова, М.Е. Эльясберга, Б.И. Черпакова, Н.И. Резникова, А.И. Созинова, В.М. Утенкова, Ю.М. Соломенцева, С.П. Протопопова, В.Г. Митрофанова, И.А. Соколовского, А.П. Кудрявцева, А.И. Каширина, Н.А. Дроздова, В.М. Свинина, П.А. Лонцих, Е.В. Артамонова, М.С. Чепчурова, А.Ю. Попова, В.С. Кушнер, А.Н. Короткова, С.И. Петрушина. В работах ученых ТПУ:
A. M. Розенберга, Ю.А. Розенберга, Н.Н. Зорева, М.Ф. Полетика, Г.Л. Куфарева,
B. В. Брюхова, Д.В. Кожевникова, С.В. Кирсанова, Г.И. Коровина. В работах зарубежных ученых: Y. Altintas, K. Ahmadi, R. Komandurr, Van Turcovich, A. Savilov, G. Campatelli, C. Cempel, P. Doolan, S. Engin, S. Jayaram, S.A. Jensen, S. Liang, Y. Richard, S. Sastry, H. Schulz, G. Yucesan, B. Denkena, D. Biermann, P.J. Arrazola, T. Ozel, D. Umbrello, M. Davies, I.S. Jawahir [112-138] и др.
Теоретические и экспериментальные исследования по снижению уровня вибрации в машинах, в том числе возникающих при механообработке, рассмотрены в работах: А.А. Харкевича, К.В. Фролова, А.А. Алифова, Я.Г. Пановко, И.И. Вульфсон, С.А. Васина, С.В. Елисеева, Н.К. Кузнецова, А.Д. Мижидон, С.А. Бол- суновского, В.Д. Вермель, Н.Н. Белоусовой, В.М. Свинина, А.В. Лукьянова, Ю.А. Бурьян, В.Н. Сорокина, К.В. Найгерт, Р.Н. Хамитова, К.В. Сызранцевой [139-159] и др., в работах ученых ТПУ: В.П. Нестеренко, П.Я. Крауиньша, Л.А. Саруева, А.К. Томилина, Ан-И-Кан, Г.И. Однокопылова [189-194, 280-290].
Разработки по устройствам виброгашения и их применения в производстве ведутся отечественными научными школами МГТУ, ОмГТУ, Vibrolab [148-160, 183-186, 216, 217] и др.
Математические модели (ММ) причин вынужденной вибрации и автоколебаний, возникающих при механообработке и способах их снижения, отражены в работах Н.А. Дроздова, В.А. Кудинова, М. Гамини, А.Р. Маслова, С.Н. Григорьева, И.Г. Жаркова, Ю.И. Городецкого, М.Е. Эльясберга [1, 2, 8-13, 17, 18, 22, 3236, 56-73, 77, 79, 80] и др., имеют противоречия или затруднительны в реализации. Например, при фрезеровании зона резания одновременно является и источником вибрации, и источником ее гашения вследствие изменения характеристик демпфирования при зацеплении зуба фрезы со срезаемым слоем материала.
Для снижения уровня вибрации также необходимо рассматривать методы создания материалов с заданными физико-механическими свойствами для механизмов и машин, имеющих повышенные демпфирующие свойства. Исследования в данном направлении рассмотрены в работах: В.А. Клименова, В.Е. Панина, С.В. Панина, И.А. Дитенберга, И.В. Смирнова, Д.А. Осипова, А. Хасуи, О. Моригаки, J.R. Kennedy, A.E. Davis, A.E. Caballero [195-211] и др.
Методы вибромониторинга технологического, транспортного и энергетического оборудования, в том числе для механообработки, рассмотрены в работах: И.И. Артоболевского, А.А. Харкевича, И.М. Бабакова, В.В. Болотина, В.В. Клюева, Ф.Я. Балицкого, Б.И. Черпакова, А.С. Комшина, А.В. Баркова, С.П. Бойкина, А.В. Лукьянова, В.И. Полищук, Б.Л. Герике, А.Е. Сушко, В.А. Николаева [158162, 168-171, 173-176] и др. Для идентификации причин вибрации используются спектральные методы, по которым выявляют дефекты, обусловленные электромеханическими неисправностями передач, дисбалансом вращающихся деталей станка и др. Подобного рода дефекты определяются на холостом ходу при помощи виброанализаторов и специализированного программного обеспечения , выпускаемого отечественными разработчиками: «Завод Балансировочных машин», «ДИАМЕХ», НПО «Диагностические технологии», «ВАСТ», «БАЛТЕХ», Vibrolab, «Глобал Тест» и др. В качестве критериев технического состояния технологического оборудования, нормирования признаков и причин повышенной вибрации могут быть использованы «спектральные маски» или меры сходства между эталонным и текущим состояниями элемента, а также искусственных нейронных сетей. Указанные подходы рассмотрены в работах: С.П. Бойкина, А.В. Баркова, Б.Л. Герике, А.Е. Сушко, Г.Б. Куликова, А.В. Лукьянова, Д.П. Алейникова [142, 143, 160, 162, 168-171] и др.
Вопросы выбора критериев эффективности механообработки, надежности работы технологических систем приведены в работах: Л.В. Боршовой, В.И. Свирщева, С.В. Тарасова, С.В. Сальникова, Г.Р. Муслиной, Е.Н. Ширяевой, М.А. Поляковой, Н.Ю. Луговцовой, М.С. Остапенко [212-215] и др.
Несмотря на имеющиеся теоретические подходы, применяемые технические решения обеспечения надежности объектов машиностроения, известные способы виброзащиты и методы вибромониторинга, устройств, существует ряд нерешенных проблем повышения эффективности механообработки. Это связано со сложностью контроля многофакторных и сложных физико-механических вибрационных процессов, происходящих при механообработке, динамических воздействий, возникающих при работе технологического оборудования вследствие его конструкционных особенностей, дефектов, появляющихся при эксплуатации и внешних вибрационно-импульсных воздействиях. Следует также отметить, что в конструкциях современных станочных комплексов устранены причины возникновения вибрации при механообработке и ее диагностике, однако устаревший станочный парк, который на многих предприятиях составляет от 50 до 75 %, показывает необходимость вибромониторинга и технических решений для снижения вибрации конструкционно-технологическими способами.
Вышеперечисленные факторы определяют актуальность разработки теории и методов исследования динамических процессов, влияющих на техническое состояние ТС и надежность ее работы, способов управления процессами эффективной механообработки.
В диссертационной работе решается важная научно-техническая проблема повышения эффективности механообработки за счет применения концепции виброзащиты ТС по результатам вибромониторинга.
Объект исследования: элементы ТС при импульсно-вибрационных воздействиях в процессе механообработки.
Предмет исследования: динамические процессы, влияющие на техническое состояние элементов ТС, способы управления этими процессами для снижения их негативного влияния на эффективность механообработки.
Цель исследования: разработка комплекса мер и решений виброзащиты ТС для повышения эффективности механообработки резанием при импульсно - вибрационных воздействиях по результатам вибромониторинга.
Для достижения цели решаются следующие задачи:
1. Разработка концепции виброзащиты элементов технологической системы по вибрационным и технологическим критериям при динамических воздействиях.
2. Анализ и систематизация методов и алгоритмов вибромониторинга и виброзащиты элементов ТС.
3. Совершенствование математических моделей динамических процессов при действии «внешних» и «внутренних» источников ударно-вибрационных воздействий на ТС.
4. Совершенствование методов экспериментального исследования динамических процессов в ТС.
5. Исследование методов повышения эффективности механообработки за счет обоснованных принимаемых технических решений виброзащиты технологическими способами.
6. Исследование методов повышения эффективности механообработки за счет обоснованных принимаемых технических решений виброзащиты конструкционными способами.
7. Разработка методов выбора устройств тестового вибрационного мониторинга для выявления элементов ТС, имеющих повышенный уровень вибрации и скрытые дефекты.
Методы исследования: методы описания динамических процессов в средах Matcad, Matlab (Simulinc), LabView, использованы временной и спектральный методы анализируемых сигналов. Проверка теоретических исследований проводилась на основе экспериментов на стендах путем физического моделирования в лабораторных и производственных условиях.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Концепция виброзащиты элементов ТС по вибрационным и технологическим критериям при динамических воздействиях в процессе механообработки резанием.
2. Модернизация методов исследования динамических процессов, влияющих на техническое состояние объектов машиностроения и способы управления динамическими процессами в ТС.
3. Алгоритмы повышения эффективности механообработки за счет обоснованно принимаемых технических решений виброзащиты технологическими способами.
4. Алгоритмы повышения эффективности механообработки за счет обоснованных принимаемых технических решений виброзащиты конструкционными способами.
5. Методы выбора способов и устройств для реализации тестового вибрационного мониторинга, позволяющего выявить элементы ТС, имеющие повышенный уровень вибрации.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: результатами численных и экспериментальных исследований, проведенных в производственных условиях и физического моделирования на стендах, а также применением математических моделей динамических процессов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработанная концепция позволяет сформировать систему виброзащиты элементов ТС конструкторско-технологическими способами по результатам вибромониторинга функциональным и тестовым методами, что значительно снижает временные затраты на диагностику и повышает достоверность результатов. Систематизированы математические модели динамических процессов от «внешних» и «внутренних» источников ударно-вибрационных воздействий на ТС.
2. Модернизирован метод исследования процессов, влияющих на техническое состояние объектов машиностроения и способы управления динамическими процессами в ТС, позволяющий производить комплексный вибрационный функциональный и тестовый мониторинг ее элементов, выполнить запись информации в базу данных с обработкой и анализом, осуществить выбор обоснованного технологического решения с целью разработки специального программно-математического обеспечения (СПМО) в производственных условиях.
3. Разработаны алгоритмы повышения эффективности механообработки за счет обосновано принимаемых технических решений виброзащиты технологическими способами, обеспечивающими снижение ударно-вибрационных воздействий на элементы ТС, с применением рационального выбора режимов механообработки и геометрии инструмента, а также изготовление элементов ТС, обладающих повышенными диссипативными свойствами, путем многослойной многокомпонентной наплавки из сплавов цветных металлов.
4. Разработаны алгоритмы для повышения эффективности механообработки за счет обосновано принимаемых технических решений виброзащиты конструкционными способами, обеспечивающими снижение ударно-вибрационных воздействий на элементы ТС, путем обоснованного назначения вида виброгасителей, мест их установки и алгоритмов управления инерционно-упругими и диссипативными параметрами.
5. Методы выбора устройств тестового вибрационного мониторинга для выявления элементов ТС, являющихся причиной снижения эффективности механообработки.
Практическая ценность работы
1. Разработанная концепция позволяет на стадии проектирования технологического процесса и механообработки определить критерии и способы виброзащиты.
2. Разработано СПМО для вибрационного мониторинга (имеющее государственную регистрацию), которое обеспечивает измерение вибрационных характеристик, возникающих от «внутренних» и «внешних» воздействий, запись их в базу данных, обработку и анализ, на основе которых происходит выбор рациональных конструкторско-технологических способов виброзащиты ТС.
3. Разработаны алгоритмы выбора и реализации технологических способов снижения ударно-вибрационных воздействий на элементы ТС с применением обоснованного выбора режимов механообработки и геометрии инструмента.
4. Разработаны алгоритмы выбора и реализации конструкционных способов снижения ударно-вибрационных воздействий на элементы ТС путем обоснованного назначения вида виброгасителя, расчета их упруго-инерционных и диссипативных параметров, мест их установки и алгоритмов управления по результатам мониторинга в широком диапазоне «внешних» и «внутренних» воздействий».
5. Разработаны алгоритмы использования устройств тестового вибромониторинга для выявления элементов ТС, имеющих повышенную виброактивность или скрытые дефекты, которые невозможно или затруднительно определить методом функциональной диагностики.
Личный вклад автора. Основные научные результаты, выносимые на защиту и составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: в публикациях разработаны и сформулированы принципы снижения динамических нагрузок за счет рационального выбора режимов механообработки и геометрии инструмента, принципы виброзащиты ТС конструкционными способами, математическое моделирование динамических процессов в ТС, технические решения по реализации устройств снижения импульсновибрационных воздействий на элементы ТС, устройств для создания тестовых симулирующих воздействий на элементы ТС, разработка и отладка специального программно-математического обеспечения для вибромониторинга.
Автор непосредственно участвовал в разработке программных и аппаратных средств, математических моделей, в проведении и анализе результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Реализация выводов и рекомендаций работы (См. Приложение № 1. Акты внедрения)
Результаты диссертационной работы используются и внедрены:
• в учебном процессе отделения материаловедения Национального исследова
• ООО «Сибирская машиностроительная компания», г. Томск (устройство для контроля динамической жесткости несущих элементов металлорежущих станков);
• ООО НПО «Сибирский машиностроитель», г. Томск (устройство для контроля динамической жесткости несущих элементов металлорежущих станков и гаситель колебаний ударного типа);
• ООО «Производственно-технический комплекс», г. Томск (устройство для снижения уровня вибраций при механообработке);
• «МИОН», г. Томск (программно-математическое обеспечение контроля уровня вибраций и последующего определения оптимальных режимов механообработки и геометрии инструмента;
• АО «Томский электротехнический завод», г. Томск (программноматематическое обеспечение для контроля уровня вибраций технологического оборудования;
• ООО «Корпорация Западная Сибирь», г. Томск (устройство для демпфирования ударных и вибрационных нагрузок).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных собраниях научной общественности: «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск, 2010, 2019 гг.), «Mechanical Engineering, Automation and Control Systems» (г. Томск, 2014, 2015, 2016 гг.), International Conference CAMASTech-2020 (Красноярск, 2020 г.), «Инновации в топливно-энергетическом комплексе и машиностроении» (г. Томск, 2017 г.), «Инновации в топливно-энергетическом комплексе и машиностроении» (г. Кемерово, 2017 г.), «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» (г. Томск, 2018 г.), «Интеграция науки, образования и производства - основа реализации плана нации» (г. Караганда, 2018 г.), «Aviamechanical Engineering and Transport Advances in Engineering Research» (г. Иркутск, 2019 г.), «Информационные технологии неразрушающего контроля» (г. Томск, 2015, 2016 гг.), «Инновации в неразрушающем контроле» (г. Новосибирск, 2015, 2017 гг.), «Фундаментальные проблемы теоретической и прикладной механики» (г. Казань, 2015 г.), «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2016 г.), «Измерение. Контроль. Информатизация» (г. Барнаул, 2015 г.).
Научные исследования выполнялись в рамках:
• х/д «Разработка вибровозбудителей для скважинных вибрационных источников». Отчет о НИР № 0186.0132099, Томск, 1986;
• х/д 4-64/83 «Разработка и исследование подземного вировозбудителя с объемным электрогидравлическим виброприводом на упругих оболочках». Отчет о НИР № 0183.0083169, Томск, 1988;
• х/д 4-170/11 «Разработка вибродиагностического комплекса и методики критериев для определения работоспособности фрезерного инструмента» для ООО «Производственно-технический комплекс» г. Томск, 2012;
• гранта фонда В. Потанина на создание электронного курса «Надежность и диагностика технологических систем» 2014 г. (Приложение № 2. Сертификаты, удостоверения, дипломы);
• гранта British petroleum «Разработка методики и создание мобильного аппаратно-программного комплекса для повышения эффективности процесса бурения скважин», 2014 г.;
• гранта British petroleum «Устройства для снижения динамических нагрузок на твердосплавные резцы типа PDC долота при бурении», 2015 г.;
• Государственного Задания Наука ФЦП по приоритетным направлениям №
5.1822.2017. Договор № 4.578.21.0251 от 26.09.2017. Идентификатор
0000000007417Р2А0002. «Разработка технологии интеллектуального производства ответственных пространственно-сложных фасонных деталей».
Соответствие паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности 05.02.02 Машиноведение, системы приводов и детали машин.
По пункту 1: Расширены теоретические основы, и разработаны методы исследования динамики при разработке технологического процесса и механообработки, влияющих на техническое состояние элементов технологической системы, способы управления этими процессами, на основании которых предложена концепция повышения эффективности механообработки конструкторско- технологическими способами по результатам функционального и тестового вибрационного мониторинга;
по пункту 2: Расширены теоретические основы, и разработаны методы проектирования машин и механизмов и расчета систем приводов для виброзащиты элементов ТС, а также ее тестового вибрационного мониторинга;
по пункту 3: Расширены теоретические основы, и предложены методы обеспечения надежности элементов ТС применением виброзащиты от «внешних» и «внутренних» импульсно-вибрационных воздействий;
по пункту 4: Предложены методы исследования и критерии для определения технического состояния элементов ТС при помощи рассмотренных математических моделей динамических процессов при воздействии «внешних» и «внутренних» источников для обоснованного выбора конструкционно-технологических способов виброзащиты;
по пункту 5: Повышение точности и достоверности расчетов объектов машиностроения; разработка нормативной базы проектирования, испытания и изготовления объектов машиностроения применением СПМО вибрационного мониторинга для измерения вибрационных параметров от «внутренних» и «внешних» воздействий при механообработке в производственных условиях, запись их в базу данных, обработка и анализ;
по пункту 8: Изготовление элементов технологической системы с повышенными диссипативными свойствами путём многослойной многокомпонентной наплавки из сплавов цветных металлов, использованием дуговых источников.
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 82 научных работах, в том числе: входящих в перечень ВАК для докторских диссертаций - 14 статей; в изданиях Scopus и Web of Science - 14 статьей; конференциях Scopus и Web of Scinnce - 12 работ; патентах РФ на изобретения и полезные модели - 21; свидетельствах об официальной регистрации программ для ЭВМ - 2; публикации в других изданиях - 21.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, шесть глав, заключение, список используемой литературы из 310 источников. Объем диссертации составляет 296 с., включая 138 рисунков, 16 таблиц, приложений на 29 с.
Выполненные в диссертации научные исследования представляют собой совокупность предлагаемых технических решений, устройств, методов и алгоритмов, которые представлены следующими новыми результатами:
1. На основе разработанной концепции сформированы алгоритмы виброзащиты конструкторско-технологическими способами по результатам вибромониторинга с использованием функционального и тестового методов, что значительно снижает временные затраты на диагностику и повышает достоверность результатов. Систематизированы математические модели динамических процессов от «внешних» и «внутренних» источников ударно-вибрационных воздействий на ТС.
2. Модернизирован метод исследования процессов, влияющих на техническое состояние объектов машиностроения и способы управления динамическими процессами в системе ТС, позволяющий производить комплексный вибрационный функциональный и тестовый мониторинг ее элементов, выполнять запись информации в базу данных с обработкой и анализом, осуществлять выбор обоснованного технологического решения с целью разработки специального программно-математического обеспечения (СПМО) в производственных условиях. Реализация СПМО позволила создать методику выбора оптимальных режимов механообработки с целью снижения вибрации деталей, а также методику выбора оптимальной геометрии инструмента, что повышает производительность не менее чем на 25-30 %.
3. Разработаны алгоритмы повышения эффективности механообработки за счет обоснованно принимаемых технических решений виброзащиты технологическими способами, обеспечивающих снижение ударно-вибрационных воздействий на элементы ТС с применением рационального выбора режимов механообработки и геометрии инструмента, а также изготовления элементов ТС с повышенными диссипативными свойствами путем многослойной многокомпонентной наплавки из сплавов цветных металлов. Предлагаемые техниче-
ские решения позволяют: значительно повысить эффективность механообработки за счет снижения уровня вибрационно-импульсных воздействий на элементы ТС, а именно: а) повысить производительность не менее чем на 2535 %, б) повысить стойкость инструмента на 30 %.
4. Разработаны алгоритмы для повышения эффективности механообработки за счет обосновано принимаемых технических решений виброзащиты конструкционными способами, обеспечивающих снижение ударно-вибрационных воздействий на элементы ТС путем обоснованного назначения вида виброгасителей, мест их установки и алгоритмов управления инерционно-упругими и диссипативными параметрами по результатам мониторинга в широком диапазоне «внешних» и «внутренних» воздействий. Использование рассмотренных технических решений позволяет: а) повысить время стойкости инструмента не менее чем на 15-25 %, б) снизить уровень вибраций на обрабатываемой детали на 36 дБ, что повышает качество обработки на 1-2 квалитета.
5. Разработаны методы выбора устройств тестового вибрационного мониторинга для выявления элементов ТС, являющихся причиной снижения эффективности механообработки. Использование рассмотренных технических решений позволяет:
а) выявить дефектные элементы ТС, которые затруднительно определить методом функциональной диагностики, т. е. «скрытые» дефекты в элементах ТС, дефекты виброгасящих опор станка или фундамента;
б) определить частотные диапазоны, на которых могут возникнуть резонансные явления элементов ТС, сопровождающиеся значительным увеличением вибрации, для последующего исключения этих частот из режимов механообработки;
в) определить места установки виброгасителей в зависимости от причины импульсно-вибрационных воздействий на элементы ТС;
г) повысить эффективность механообработки в 1,5-2 раза за счет снижения повысить эффективность механообработки в 1,5-2 раза за счет снижения рисков выхода из строя элементов ТС.
1. На основе разработанной концепции сформированы алгоритмы виброзащиты конструкторско-технологическими способами по результатам вибромониторинга с использованием функционального и тестового методов, что значительно снижает временные затраты на диагностику и повышает достоверность результатов. Систематизированы математические модели динамических процессов от «внешних» и «внутренних» источников ударно-вибрационных воздействий на ТС.
2. Модернизирован метод исследования процессов, влияющих на техническое состояние объектов машиностроения и способы управления динамическими процессами в системе ТС, позволяющий производить комплексный вибрационный функциональный и тестовый мониторинг ее элементов, выполнять запись информации в базу данных с обработкой и анализом, осуществлять выбор обоснованного технологического решения с целью разработки специального программно-математического обеспечения (СПМО) в производственных условиях. Реализация СПМО позволила создать методику выбора оптимальных режимов механообработки с целью снижения вибрации деталей, а также методику выбора оптимальной геометрии инструмента, что повышает производительность не менее чем на 25-30 %.
3. Разработаны алгоритмы повышения эффективности механообработки за счет обоснованно принимаемых технических решений виброзащиты технологическими способами, обеспечивающих снижение ударно-вибрационных воздействий на элементы ТС с применением рационального выбора режимов механообработки и геометрии инструмента, а также изготовления элементов ТС с повышенными диссипативными свойствами путем многослойной многокомпонентной наплавки из сплавов цветных металлов. Предлагаемые техниче-
ские решения позволяют: значительно повысить эффективность механообработки за счет снижения уровня вибрационно-импульсных воздействий на элементы ТС, а именно: а) повысить производительность не менее чем на 2535 %, б) повысить стойкость инструмента на 30 %.
4. Разработаны алгоритмы для повышения эффективности механообработки за счет обосновано принимаемых технических решений виброзащиты конструкционными способами, обеспечивающих снижение ударно-вибрационных воздействий на элементы ТС путем обоснованного назначения вида виброгасителей, мест их установки и алгоритмов управления инерционно-упругими и диссипативными параметрами по результатам мониторинга в широком диапазоне «внешних» и «внутренних» воздействий. Использование рассмотренных технических решений позволяет: а) повысить время стойкости инструмента не менее чем на 15-25 %, б) снизить уровень вибраций на обрабатываемой детали на 36 дБ, что повышает качество обработки на 1-2 квалитета.
5. Разработаны методы выбора устройств тестового вибрационного мониторинга для выявления элементов ТС, являющихся причиной снижения эффективности механообработки. Использование рассмотренных технических решений позволяет:
а) выявить дефектные элементы ТС, которые затруднительно определить методом функциональной диагностики, т. е. «скрытые» дефекты в элементах ТС, дефекты виброгасящих опор станка или фундамента;
б) определить частотные диапазоны, на которых могут возникнуть резонансные явления элементов ТС, сопровождающиеся значительным увеличением вибрации, для последующего исключения этих частот из режимов механообработки;
в) определить места установки виброгасителей в зависимости от причины импульсно-вибрационных воздействий на элементы ТС;
г) повысить эффективность механообработки в 1,5-2 раза за счет снижения повысить эффективность механообработки в 1,5-2 раза за счет снижения рисков выхода из строя элементов ТС.
