Технологическое обеспечение качества коллекторов электрических машин

В современной динамично меняющейся экономике прогрессивные изменения определяются, главным образом, темпом развития и наращивания потенциала промышленных предприятий. Одной из наиболее важных и актуальных проблем, с которыми сталкиваются промышленные предприятия в настоящее время, является эффективное использование производственных ресурсов в целях получения наибольшей прибыли. В связи с этим первоочередной задачей на предприятии является построение такой стратегии управления производственными ресурсами, которая была бы направлена на формирование оптимальной и эффективной организации производства.

Технологические процессы изготовления изделий являются одной из важнейших структурных составляющих производственного процесса, поэтому их оптимальная организация является залогом успешной деятельности предприятия в целом. Целью оптимизации технологического процесса является достижение комплекса параметров качества изделия при минимальных трудовых и материальных затратах. Данная задача сопряжена со значительными методическими трудностями, в особенности, если речь идет об изготовлении сложных изделиях с повышенными требованиями к качеству.

Служебное назначение и условия эксплуатации ряда технических объектов обуславливают особенности конструктивного исполнения отдельных сборочных единиц и определяют особые требования к технологии их изготовления, специфику проведения отдельных операций. Например, надежность электрических машин во многом зависит от качества изготовления коллектора, к которому предъявляют ряд жестких требований. Коллектор состоит из большого количества (более 100) медных пластин, чередующихся с изоляционными прокладками, имеет сложные геометрические сопряжения входящих в него деталей и изготовлен из разнородных материалов (сталь, медь, миканит), имеющих существенно отличающиеся физико-механические свойства. Данные конструктивные особенности в значительной мере усложняют технологию изготовления, предъявляя повышенные требования к проведению ряда технологических операций: обеспечение монолитности в процессе сборки, обеспечение виброустойчивости на токарных операциях в условиях прерывистого резания, обеспечение точности формы и комплекса параметров качества поверхностного слоя. При этом конечные показатели качества во многом зависят не только от правильности выполнения отдельных операций, но обусловлены также влиянием технологической наследственности одной операции на другую. В процессе эксплуатации данный узел находится в сложном напряженно-деформированном состоянии, в связи с чем, достигнутые в процессе изготовления параметры качества могут изменяться. Поэтому необходимо не только обеспечить требуемые параметры качества на этапе изготовления, но и сохранить их стабильность в процессе эксплуатации.

Актуальность темы

исследования. Коллекторные электрические машины находят свое применение в различных отраслях и сферах: в металлургической, горнодобывающей, строительной, автомобильной промышленности, на железнодорожном и городском транспорте, в качестве приводов, различных транспортных средств, разнообразных устройств и механизмовв бытовых и* промышленных электроприборах. Коллекторные машины в исполнении двигателей и генераторов выпускают мощностью от долей ватт до десятков тысяч киловатт. Номинальные рабочие диаметры коллекторов согласно ГОСТ 19 780–81 имеют очень широкий диапазон: от 1,25 мм до 3150 мм.

Коллектор является наиболее сложным и ответственным звеном электрической машины, определяя надежность и ресурс работы этого класса машин. Это связано с особенностями конструктивного исполнения, сложным напряженно-деформированным состоянием в условиях эксплуатации и жесткими требованиями, предъявляемыми к качеству рабочей поверхности для обеспечения благоприятных условий работы скользящего контакта. Проблема обеспечения высокой коммутационной устойчивости до конца не решена и остается весьма актуальной. Затраты на ремонт и эксплуатацию коллекторных машин очень велики, и в некоторых машинах за один год составляют около 1 /3' стоимости машины.

Надежность и качество работы коллекторного узла во многом определяются технологией его изготовления, являющейся наиболее дорогостоящим и длительным этапом при производстве электрических машин. Традиционная технология имеет ряд недостатков и существенный резерв повышения эффективности, который может быть обеспечен за счет учета эксплуатационных нагрузок посредством применения современных средств имитационного моделирования, обоснования и обеспечения комплекса параметров качества с учетом технологической наследственности, применения альтернативного метода финишной обработки, использования научно обоснованных технологических режимов и оптимизации технологического процесса.

В связи с вышеизложенным актуальной проблемой является создание теоретических основ и методологии технологического обеспечения заданных уровней параметров качества коллекторов, обусловленных служебным назначением и условиями эксплуатации, при минимальных затратах труда, материальных и «энергетических ресурсов.

Целью диссертационной работы является создание теоретических основ и методологии проектирования высокоэффективных ресурсосберегающих технологических процессов изготовления коллекторов электрических машин на базе учета технологической наследственности и условий эксплуатации.

Достижение поставленной цели потребовало постановки и решения следующих задач:

1. Разработка теоретических основ технологического обеспечения заданных уровней комплекса параметров качества коллекторов посредством выявления закономерностей и связей между параметрами качества, достигаемыми на основных этапах технологического процесса, и условиями проведения технологических операций с учетом технологической наследственности и эксплуатационных характеристик электрической машины.

2. Создание методологии проектирования и оптимизации технологического процесса изготовления коллекторов с целью обеспечения требуемого качества при минимальных затратах труда, материальных и энергетических ресурсов.

3. Создание имитационных моделей эксплуатационного состояния изделия как средства выявления влияния технологических параметров, назначаемых в процессе изготовления, на изменение параметров качества под действием эксплуатационных нагрузок.

4. Обеспечение заданных параметров качества коллектора на отдельных операциях технологического процесса с учетом конструктивных особенностей изделия: требуемой плотности соединения изоляционных и медных пластин при проведении сборочных операций, допустимых параметров вибраций на токарных операциях в условиях прерывистого резания.

5. Построение моделей и алгоритмов технологического обеспечения отдельных показателей качества изделия: точности формы и микрорельефа контактной поверхности, заданных свойств поверхностных слоев с учетом неоднородности структуры коллектора и физико-механических свойств меди.

6. Разработка высокоэффективной технологии финишной отделочно-упрочняющей обработки рабочей поверхности коллектора поверхностным пластическим деформированием с целью повышения качества поверхностного слоя и улучшения условий работы скользящего контакта.

На защиту выносятся теоретические основы и методология проектирования высокоэффективных технологических процессов изготовления коллекторов электрических машин на базе учета технологической наследственности и условий эксплуатацииметодика имитационного моделирования эксплуатационного состояния коллекторов и обоснования технологических параметровметодика технологического обеспечения виброустойчивости процесса прерывистого резания на токарных операцияхметодика технологического обеспечения заданных уровнейкомплекса параметров качества коллекторовприменение технологии отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием в качестве финишной обработки рабочей поверхности коллекторов.

Научную новизну составляют:

1. Теоретические основы технологического обеспечения заданных уровней комплекса параметров качества коллекторов, закономерности и структурно-логические связи между достигаемыми параметрами качества и условиями проведения технологических операций с учетом технологической наследственности и условий эксплуатации.

2. Методология оптимизации технологического процесса изготовления коллекторов, обеспечивающая требуемые значения параметров качества при минимальных затратах труда, материальных и энергетических ресурсов с учетом технологической наследственности и условий эксплуатации.

3. Методика^ имитационного моделирования теплового и напряженно-деформированного состояния коллектора в процессе эксплуатации, устанавливающая влияние технологических параметров изготовления на изменение достигнутых параметров качества под действием рабочих нагрузок.

4. Закономерности протекания деформационных, силовых и тепловых явлений, сопровождающих точение меди, модели усадки стружки, сопротивления материала пластическому сдвигу, тангенциальной составляющей силы резания, являющиеся основой технологического обеспечения параметров качества на токарных операциях.

5. Аналитическая модель формирования шероховатости поверхности при точении меди, учитывающая физико-механические свойства меди и особенности прерывистого характера резания, позволяющая обоснованно назначать технологические параметры токарных операций в соответствие с требуемым значением шероховатости.

6. Технология поверхностного пластического деформирования как эффективного способа финишной обработки рабочей поверхности коллектора, обеспечивающая повышение качества поверхностного слоя и улучшение условий работы скользящего контакта. Установленные закономерности формирования микрорельефа поверхности и свойств поверхностных слоев при обкатывании меди, позволяющие обеспечивать заданные параметры качества.

Практическая значимость.

1. Разработаны модели и алгоритмы технологического обеспечения отдельных показателей качества изделия: точности формы и микрорельефа контактной поверхности, заданных свойств поверхностных слоев, позволяющие обосновывать требования к условиям и режимам проведения технологических операций.

2. Повышена эффективность проведения сборки коллекторов за счет применения методики обоснованного назначения длительности проведения термической операции в зависимости от конструктивных особенностей и габаритных размеров коллектора.

3. Предложена методика технологического обеспечения виброустойчивости процесса точения на токарных операциях, обеспечивающая максимальную производительность прерывистого резания при допустимых параметрах вибрации элементов технологической системы. ;

4. Созданы имитационные модели теплового и напряженно-деформированного состояния коллектора, позволяющие назначать технологические параметры выполняемых операций в зависимости от эксплуатационных нагрузок и обосновывать требования к точности изготовления комплектующих.

5. Разработаны модели шероховатости поверхности при чистовом и черновом (получистовом) точении меди, позволяющие обоснованно назначать технологические режимы, обеспечивающие заданные значения.

6. Предложена эффективная технология отделочно-упрочняющей обработки рабочей поверхности коллектора, улучшающая условия коммутации скользящего контакта.

Личный вклад автора. Результаты теоретических и экспериментальных исследований получены автором самостоятельно. Автору принадлежат постановка проблемы и задач исследования, выбор методик проведения экспериментов, научное руководство и непосредственное участие в экспериментах, обработка полученных результатов, написание статей, докладов, внедрение в производство научных разработок.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на международных и всероссийских научно-технических конференциях: «Повышение эффективности технологических комплексов и оборудования в промышленности строительных материалов и строительстве», г. Белгород, 1997 г.- «Компьютерное моделирование», г. Белгород, 1998 г.- «Информационные процессы и технологии», г. Белгород, 1998 г.- «Механика и процессы управления», г. Екатеринбург, 2002 г.- «Автоматизация: проблемы, идеи, решения», г. Севастополь, 2003 г.- «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», г. Белгород, 2003, 2005 гг.- «Образование, наука, производство», г. Белгород, 2004 г.- «Механики — XXI веку», г. Братск, 2006 г.- «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии», г. Белгород, 2007 г.- «Наука и молодежь в начале нового столетия», г. Губкин, 2008 г.- «Будущее машиностроения России», г. Москва, 2008 г.- «Материалы и технологии XXI века», г. Пенза, 2009 г.- «Актуальные проблемы машиностроения», г. Самара, 2009, 2010 гг- «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано-до макроуровня», г. Санкт-Петербург, 2010 г., «Математические методы в технике и технологиях», г. Саратов, 2010 г.

8.3. Выводы.

1. Разработана методология оптимизации технологического процесса изготовления изделия, имеющего ряд характерных признаков: предъявляемые требования по обеспечению комплекса показателей качества, необходимость учета эксплуатационных параметров изделия и технологической наследственности выполняемых операций, специфика проведения отдельных технологических операций, требующая соблюдения особых технологических условий для обеспечения требуемого качества.

2. Представленная методология позволяет выполнять одновременную структурную оптимизацию вариантов технологического процесса с учетом последовательного изменения параметров качества в ходе выполнения операций и параметрическую оптимизацию технологических условий проведения операций с учетом специфики, обусловленной эксплуатационными параметрами.

3. Реализация предложенной методологии позволяет обеспечивать требуемые значения параметров качества с учетом технологической наследственности и условий эксплуатации при минимальных затратах труда, материальных и энергетических ресурсов.

4. Апробация разработанной методологии при изготовлении коллектора тягового рудничного электродвигателя ДПЭ-52 доказывает ее эффективность, обеспечивая повышение производительности выполняемых операций и снижение затрат на реализацию технологического процесса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В результате выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований решена проблема технологического обеспечения качества коллекторов электрических машин на основе учета условий эксплуатации, технологической наследственности и внедрения новой технологии отделочно-упрочняющей обработки.

2. Установлены структурно-логические связи между условиями эксплуатации, параметрами качества коллектора на основных этапах технологического процесса и технологическими режимами, что является методологической основой управления технологическим процессом и позволяет целенаправленно формировать заданные значения параметров качества при минимальных затратах временных и материальных ресурсов.

3. Разработаны имитационные модели, отображающие объемное тепловое и напряженно-деформированное состояние коллектора под действием рабочих нагрузок, позволяющие оценить-степень их влияния на изменение параметров качества в процессе эксплуатации" и являющиеся научнойосновой" расчета технологических параметров. Выявлено доминирующее влияние тепловых деформаций на погрешность формы контактной поверхности коллектора. Применение моделей позволяет обосновывать ряд важных технологических параметров, обеспечивающих сохранение параметров качества в процессе эксплуатации: метод соединения обмотки якоря с коллектором, марку припоя, оптимальное значение усилия арочного распора, требуемую исходную точность коллекторных пластин и др.

4. Разработаны методы технологического обеспечения допустимых параметров вибрации при точении контактной поверхности коллектора с учетом особенностей прерывистого резания. На основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований установлены закономерности влияния технологических режимов и условий на параметры вибрации элементов технологической системы. Выявлено, что увеличение скорости резания увеличивает виброускорение и частоту колебаний резца и снижает амплитуду его колебаний, следовательно, является благоприятным в допустимых пределах. Разработана методика расчета максимально допустимого значения скорости резания.

5. Выявлены основные факторы, влияющие на обеспечение точности формы контактной поверхности коллектора в процессе изготовления. Разработана методика и математическая модель определения теплового состояния коллектора в процессе выполнения термической операции, позволяющая назначать длительность термической операции, обеспечивающую заданное качество при минимальных временных и энергетических затратах. Разработана методика и математическая модель определения объемного теплового поля и тепловых деформаций коллектора в процессе точения, позволяющая прогнозировать погрешность тепловых деформаций в зависимости от технологических режимов обработки, обеспечивать заданную точность, проводить оптимизацию технологических параметров. Разработана методика и алгоритмы назначения режимов резания на операции чернового и чистового точения исходя из условий технологического обеспечения требуемой точности.

6. В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований выявлены особенности формирования микрорельефа поверхности при точении. Установлено влияние технологических параметров на величину шероховатости поверхности при чистовом, получистовом и черновом точении медной прерывистой поверхности. Разработанные эмпирические зависимости позволяют прогнозировать величину шероховатости, обоснованно назначать технологические режимы и проводить оптимизацию технологических параметров. Установлено влияние технологических режимов на величину усадки стружки при точении меди, характер деформационных, силовых и тепловых явлений, сопровождающих резание. Проведенные исследования позволили выявить величину и характер изменения сопротивления меди пластическому сдвигу под действием технологических режимов, установлено снижение сопротивления при увеличении скорости резания.

7. На основе установленных закономерностей протекания деформационных, силовых и тепловых явлений, сопровождающих точение меди, разработана аналитическая модель формирования шероховатости поверхности, учитывающая особенности прерывистого резания, физико-механические свойства электротехнической меди, технологические режимы, геометрические параметры режущего инструмента, жесткость технологической системы.

8. Разработана новая технология отдел очно-упрочняющей обработки контактной поверхности коллектора обкатыванием, которая обеспечивает повышение производительности и снижение себестоимости, повышает надежность работы щеточно-коллекторного узла за счет расширения зоны безыскровой работы. В результате теоретического и экспериментального исследования выявлены особенности пластического деформирования меди при обкатывании и обоснованы геометрические параметры накатного инструмента, обеспечивающие требуемое качество. Экспериментально установлено влияние технологических режимов на величину шероховатости при обкатывании, разработана эмпирическая зависимость. Исследования микрорельефа обкатанной поверхности выявили параметры, обеспечивающие благоприятные условии работы скользящего контакта: шероховатость И. а 0,6−0,2, отсутствие волнистости, относительна опорная длина профиля по средней линии свыше 75%. В результате металлографических исследований выявлены особенности формирования структуры поверхностных слоев меди после обкатывания, установлена глубина и степень упрочненного слоя. Исследования микротвердости поверхностных слоев после обкатывания выявили повышение твердости относительно основного материала на 20−25%, что соответствует твердости, формирующейся в процессе эксплуатации. Выявлено влияние технологической наследственности предшествующей операции точения на свойства обкатанной поверхности.

9. Разработана методология оптимизации технологического процесса изготовления изделия, имеющего ряд характерных признаков: предъявляемые требования по обеспечению комплекса показателей качества, необходимость учета эксплуатационных параметров изделия и технологической наследственности выполняемых операций, специфика проведения отдельных технологических операций, требующая соблюдения особых технологических условий для обеспечения требуемого качества. Представленная методология позволяет выполнять одновременную структурную оптимизацию вариантов технологического процесса с учетом последовательного изменения параметров качества в ходе выполнения операций и параметрическую оптимизацию технологических условий проведения операций с учетом специфики, обусловленной эксплуатационными параметрами, обеспечивая требуемые значения параметров качества при минимальных затратах труда, материальных и энергетических ресурсов.