Moscow, Moscow, Russian Federation
Moskva, Russian Federation
UDK 534.8 Применение акустики
UDK 621.813 Разъемные соединения
UDK 62-771 Устройства для облегчения монтажа и демонтажа. Разборные машины
A number of works devoted to ultrasonic assembly and disassembly have been analyzed, and their disadvantages have been identified, in particular, lack of attention to the issue of multifactorial nature of the influence on assembly using ultrasound. Based on the analysis of the sources, the factors that can significantly affect the assembly process of threaded fastenings are determined. They are temperature, mass of the assembled fastening, as well as the amplitude of vibrations. The results showed that increasing the mass of the assembled threaded fastening increases the effectiveness of ultrasound application. The results also showed that increasing or decreasing the temperature has virtually no effect on the assembly efficiency, which is confirmed by statistical processing, which shows a small relationship between the response and the factor. At the same time, the use of ultrasound, depending on the temperature, affects the spread of the obtained values within a single point – the values obtained vary in the range of 5 % at average temperatures and in the range of 10% at boundary values. The results of the multifactorial experiment confirmed the nature of the influence of the oscillation amplitude, mass and temperature of the assembled fastening, revealing the importance of the amplitude and mass factors, while the temperature factor can be neglected due to its minor influence. The results of the multifactorial experiment were processed using two different methods, as a result of which similar dependencies were obtained, which, in turn, confirms the high reliability of the obtained results.
technology, ultrasound, vibrations, assembly, threaded fastenings
Введение
К изделиям машиностроения предъявляются жесткие требования к качеству изделий и их надёжности. Особое внимание предъявляется к изделиям транспортного машиностроения, которые работают в различных условиях эксплуатации, в том числе экстремальных.
Такие показатели надежности, как работоспособность, безотказность, ремонтопригодность, обеспечиваются в значительной степени качеством сборки изделий. Наиболее распространенным видом разборных соединений является резьбовое, позволяющее проводить сборку и разборку изделий без их повреждения, создавать требуемые прочность и жесткость соединения, обеспечивать долговечность и сохраняемость конструкции, а также её ремонтопригодность. Резьбовые соединения размеров М8…М24 составляют порядка 70 % всех соединений автомобиля, на которые приходится 25…30 % трудоемкости сборки и
25…64 % трудоемкости разборочных работ. По разным оценкам, до 15…20 % отказов техники в процессе эксплуатации связано с резьбовыми соединениями. Основными причинами нарушения эксплуатационных характеристик резьбовых соединений являются самоотвинчивания соединений и уменьшение осевой силы вследствие действий знакопеременных и вибрационных нагрузок. Перечисленные причины могут приводить не только к отказам отдельных сборочных единиц и агрегатов, но и конструкций и изделий в целом.
Вопросам, связанным с повышением надёжности резьбовых соединений при сборке посвящено большое число работ [1 – 3]. Значительное их количество направлено на разработку конструктивных изменений деталей соединений или на создание технологий, основанных на использовании клеев и герметиков, что увеличивает трудоемкость и стоимость как проектирования, так и изготовления соединения [4, 5]. Кроме того, перечисленные способы создают значительные трудности при разборке резьбовых соединений. Наиболее важными факторами, определяющими надёжность резьбового соединения как при сборке, так и при разборке, являются деформация элементов соединения и равномерность распределения нагрузки на витках резьбы, которые в основном зависят от характера трения [6, 7]. Перспективным направлением повышения надёжности резьбовых соединений является применение ультразвуковых колебаний, которое позволяет уменьшить трение при сборке и разборке, а также не требует увеличения трудоемкости изготовления элементов соединения и дополнительных материалов.
Путями совершенствования сборки и разборки резьбовых соединений с применением ультразвука являются: выявление и оптимизация таких значимых технологических характеристик, как типоразмер и расположение соединения, амплитуда колебаний излучателя; выбор эффективного вида колебаний (продольных, продольно-крутильных, сдвиговых); создание рациональных технологических решений, обеспечивающих повышение качества резьбовых соединений; разработка и создание цифровых продуктов, позволяющих выбирать и поддерживать оптимальные технологические режимы.
Влиянию ультразвуковых колебаний на повышение эффективности процессов сборки и разборки различных соединений деталей машин посвящено значительное количество исследований, в частности [8 – 13]. Однако работы по этому вопросу имеют определенные недостатки. В частности, внимание практически не уделяется факторам, влияющим на сборку, за исключением амплитуды колебаний, что не позволяет проводить комплексную оценку эффективности применения ультразвука при сборке резьбовых соединений. Практически не затронуты такие факторы как масса собираемого соединения и его температура, а также совокупное влияние массы соединения, температуры и амплитуды ультразвуковых колебаний. На основании вышеизложенного можно утверждать, что определение степени влияния таких факторов, как температура и масса соединения на сборку с помощью ультразвука является актуальной задачей.
Методика проведения эксперимента
Экспериментальное исследование по определению влияния ультразвука на сборку проводилось следующим образом – после закручивания болтового соединения с помощью динамометрического ключа до нормативного значения и контроля величины момента закручивания Мзакр включался источник колебаний. После включения колебаний проводилось дозакручивание соединения до нормативного значения Мзакр вследствие снижения Мзакр при наложении ультразвуковых колебаний
Исследования проводились на комплексе ультразвукового оборудования, включающем в себя генератор ГЗ-33, возбуждающий электрические колебания ультразвуковой частоты, генератор УЗГ5-1.6/22, усиливающий мощность сигнала, и магнитострикционную колебательную систему (рис. 1). Частота обработки составляла 22 кГц, тип колебаний –
сдвиговые.
При исследовании влияния массы на сборку в качестве элементов с наружной резьбой использовались оцинкованные болты М8 с крупным шагом, нормальной точности, класс прочности 5.8, в качестве элемента с внутренней резьбой использовалась гайка М8. Масса соединения составляла 15, 20, 25, 30 и 35 г. Амплитуда колебаний составляла 8 мкм. Момент закручивания соединения Мзакр обеспечивался динамометрическим ключом и контролировался с помощью динамометра и составил
24,5 Н·м.
Для определения влияния температуры собираемого соединения были проведены исследования по сборке с помощью ультразвука соединения М12 длиной 50 мм в диапазоне температур -15…80 ℃. Амплитуда колебаний составляла 4 мкм. Такое значение амплитуды позволяет достигать высокой эффективности сборки, при этом не происходит тепловых потерь, влияющих на результаты. Вследствие этого повышается достоверность получаемых значений.
Для определения влияния на собираемое соединение амплитуды колебаний, массы и температуры были проведены исследования по сборке с помощью ультразвука типоразмера М8. Диапазоны значений факторов приведены в табл. 1.
Результаты экспериментов обрабатывались в программе Statistika. Для однофакторных экспериментов оценивалась достоверность полученной модели путем сравнения критериев достоверности для семи различных моделей [14, 15]. Оценка проводилась по совокупности таких показателей, как коэффициент детерминации R2, коэффициент корреляции R, F-статистика, уровень значимости p, стандартная ошибка оценки ε.
Результаты исследования
Результаты исследования влияния ультразвука на сборку соединения одного типоразмера с различной массой в виде диаграммы рассеяния зависимости относительного момента откручивания от массы соединения при подгонке методом наименьших квадратов представлены на рис. 2.
По результатам анализа можно определить наиболее точный вид модели и коэффициенты для этой модели. Наиболее достоверной является модель полинома первой степени, описанная формулой:
Y = 91,78 + 0,72Х, (1)
В данном случае коэффициент детерминации R2 = 0,88; коэффициент корреляции
R = 0,94; значение F-статистики = 168,88 при уровне значимости p < 0,00000; значение стандартной ошибки оценки = 1,96. Учитывая вышеизложенное, гипотеза о нулевых значениях коэффициентов регрессии отклоняется.
Несмотря на то, что у других моделей значения R2 и R равны или немного больше, по совокупности факторов полином первой степени является наиболее достоверной моделью.
Окончательный вид модели зависимости относительного момента откручивания от амплитуды колебаний для типоразмера М8 при крутильных колебаниях выглядит как
, (2)
где m – масса резьбового соединения, г.
Обработка результатов показала, что зависимость является линейной. Это объясняется ступенчатым изменением длины болтов, что в свою очередь обуславливает плавный рост массы соединения, который является линейным.
Результаты определения влияния температуры соединения на сборку в виде диаграммы рассеяния зависимости относительного момента откручивания от температуры соединения при подгонке методом наименьших квадратов представлены на рис. 3.
По результатам анализа можно определить наиболее точный вид модели и коэффициенты для этой модели. В результате наиболее достоверной является модель полинома
третьей степени, показанная в формуле:
Y = 122,35 - 0,1409Х + 0,0064Х2 - 0,0001Х3, (3)
В данном случае коэффициент детерминации R2 = 0,11; коэффициент корреляции
R = 0,33 для остальных моделей значения R 2и R меньше указанных. Значение
F-статистики = 2,98 при уровне значимости
p < 0,03722; значение стандартной ошибки оценки = 3,6910. Учитывая вышеизложенное, можно утверждать, что связь между фактором и откликом является слабой и практически не значимой, из чего можно сделать вывод, что на величину Мо температура соединения не оказывает заметного влияния.
Это также видно на рис. 2. В диапазоне температур -20…80 °С усредненные значения Мо варьируются на 4…5 %. Однако необходимо отметить, что наложение колебаний влияет на такой аспект, как большой разброс значений Мо. Так, при граничных значениях
(-20 и 75 °С) диапазон составляет порядка
10 %, однако при достижении температуры
30 °С разброс снижается до 5…6 %.
Многофакторный эксперимент по определению влияния амплитуды, массы и температуры соединения на сборку был проведен с использованием некомпозиционного плана Бокса-Бенкина второго порядка для трех факторов, с числом опытов N = 12 и числом опытов на нулевом уровне факторов n0 = 3. Кодированные значения факторов и соответствующие им физические значения факторов приведены в табл. 1. В качестве параметра оптимизации был выбран Мо.
Следует отметить, что, поскольку переменные в данной модели закодированы, коэффициенты b0, bi, bij, bii… являются оценками истинных коэффициентов [16]. При этом переводить полученную модель вида (5) в модель, содержащую натуральные факторы, не рекомендуется, поскольку это резко ухудшает возможность интерпретации модели и принятие по ней технико-экономических решений. Матрица плана и результаты эксперимента приведены в табл. 2.
Анализ уравнения показывает, что наибольшее влияние на Мо оказывает x1, (амплитуда колебаний), x3 (масса соединения) влияет незначительно, а x2 (температура соединения) не влияет вообще. Кроме того, можно говорить об отсутствии корреляции между факторами. Таким образом, чем больше амплитуда колебаний и масса соединения – тем больше эффективность применения ультразвука на этапе сборки соединения в сравнении с традиционным методом сборки.
Дополнительно в программе Statistica была проведена проверка на предмет взаимосвязи между влияющими факторами, для чего была проанализирована корреляционная матрица (рис. 4). Анализ показал, что корреляция отсутствует полностью и факторы между собой никак не связаны.
Также с целью проверки полученных результатов расчетным методом в программе Statistiсa была получена математическая модель методом факторного анализа без поворота осей. Данный метод был выбран, поскольку даже при числе главных компонент, равном трем, доля общей дисперсии, обработанной тремя факторами, составляет 99,9 % (рис. 5)
Анализ с использованием программы Statistiсa показал результаты, схожие с результатами, полученными первым методом, за исключением наличия минимального отрицательного влияния температуры. Факт такого расхождения косвенно подтверждается пограничным коэффициентом корреляции для зависимости Мо от температуры. Также подтверждается отсутствие корреляции между факторами. Таким образом можно утверждать, что влияющими факторами являются амплитуда и масса, и чем больше амплитуда колебаний и масса соединения – тем больше эффективность применения ультразвука на этапе сборки соединения в сравнении с традиционным методом сборки.
Выводы
Проведенные экспериментальные исследования показали, что факторы температуры и массы собираемого резьбового соединения при сборке с ультразвуком влияют на процесс сборки по-разному, в частности:
– увеличение массы собираемого резьбового соединения увеличивает эффективность применения ультразвука. Так, при увеличении массы в 2 раза (с 15 до 30 г) создаваемое осевое усилие увеличивается на 10 %, при этом наблюдается линейная зависимость увеличения эффективности в зависимости от увеличения массы.
– увеличение или уменьшение температуры практически не оказывает влияния на эффективность сборки, что подтверждается статистической обработкой, которая показывает малую связь между откликом и фактором. При этом применение ультразвука в зависимости от температуры влияет на разброс полученных значений в рамках одной точки – полученные значения варьируются в диапазоне 5 % при
30 °С и в диапазоне 10 % при граничных значениях (-20 и 75 °С).
Результаты многофакторного эксперимента подтвердили характер влияния амплитуды колебаний, массы и температуры собираемого соединения, выявив значимость факторов амплитуды и массы, при этом фактором температуры можно пренебречь ввиду его малого влияния.
1. Apazhev A.K., Shekikhachev Yu.A., Khazhmetov L.M., et al. Improving the operational reliability of agricultural machinery // Machinery and equipment for rural areas. 2023, no. 4 (310), pp. 12–16. DOIhttps://doi.org/10.33267/2072-9642-2023-4-12-16. EDN HHJDDY.
2. Lipka V.M., Kopp V.Ya., Rapatsky Yu.L. Investigation of the possibility of preventing the sudden destruction of threaded connections containing parts with external threads is demonstrated by the optimal choice of the parameters of the thread-rolling process. // Automation: problems, ideas, solutions: proceedings of the international scientific and technical conference, Sevastopol, September 07-11, 2015. Sevastopol: Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education «Sevastopol State University», 2015. pp. 46-49. EDN VXSNTZ.
3. Rapatsky Yu.L., Lipka V.M., Khaustovich A.G. Improving the quality of automated assembly of threaded connections based on a system of active control of tightening parameters // Automation and instrumentation: problems, solutions : materials of the international scientific and technical conference, Sevastopol, 05-09 September 2016 / Sevastopol State University; scientific ed. by V.Ya. Kopp. – Sevastopol: Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education «Sevastopol State University», 2016. pp. 35–36. EDN WPWHQR.
4. Belevsky L.S., Efimova Yu.Y., Dema R.R., et al. Tests of threaded coatings of tubing couplings on a coupling winding machine. // Heavy engineering. 2021, no. 7-8. pp. 39–44. EDN FYKKTF.
5. Vinnikov D.A., Yagopolsky A.G., Komkova T.Y. Fixation of threaded connections in construction of spacer damper // Repair. Rebuild. Modernization. 2018, no. 4, pp. 5–9. EDN XNRBTN.
6. Ivanov A.S., Murkin S.V., Novikov E.S. Effect of a locknut on load distribution along the threads of the screw of a tightened threaded connection // Bulletin of Mechanical Engineering. 2024, vol. 103, no. 3, pp. 189–192. DOIhttps://doi.org/10.36652/0042-4633-2024-103-3-189-192. EDN NIBTZM.
7. Prokofiev A.N. Technological support and quality improvement of threaded connections: specialty 05.02.08 «Technology of mechanical engineering»: thesis for the degree of Doctor of Technical Sciences / Prokofiev Alexander Nikolaevich. Bryansk, 2008. 34 p. EDN NJIWRZ.
8. Nigmetzyanov R.I., Sundukov S.K., Sukhov A.V., Fatyukhin D.S. Assembly features of threaded fastenings having various sizes when using shear ultrasonic vibrations // Science-intensive technologies in mechanical engineering. 2021, no. 12 (126), pp. 26–30. DOIhttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2021-12-26-30. EDN SLAKSG.
9. Nigmetzyanov R.I., Sundukov S.K., Sukhov A.V. et al. Improvement of Threaded-Joint Assembly Using Ultrasound // Russian Engineering Research. 2021. Vol. 41, No. 6. P. 567–569. DOIhttps://doi.org/10.3103/S1068798X21060150. – EDN AHAISB.
10. Nechai A.A., Nigmetzyanov R.N., Sundukov S.K. et al. Assembly of Threaded Joints in the Presence of Shear Ultrasound // Russian Engineering Research. 2022. Vol. 42, No. 2. P. 169–171. DOIhttps://doi.org/10.3103/S1068798X22020174. EDN LEXJUE.
11. Nechai A.A., Nigmetzyanov R.N., Sundukov S.K., et al. Assembly of threaded joints in the presence of shear ultrasound // STIN. 2021, no 12, pp. 16-19. EDN EOHUYR.
12. Vishnevskaya A.N. Improving the productivity and quality of ultrasonic assembly of threaded connections // Ultrasound: problems, developments, prospects: Proceedings of the international scientific conference, Ufa, September 25-29, 2017 / The responsible editor is A.A. Nazarov. Ufa: Bashkir State University, 2017, pp. 24–26. EDN YRBVOS.
13. Shuvaev V.G., Shuvaev I.V. Improving the reliability of threaded connections using ultrasonic assembly // Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2016, vol. 18, no. 4-2, pp. 394–398. EDN XAZQBT
14. Use of modules of the STATISTICA program and computational models for solving scientific problems in the field of technical operation of automobiles: a textbook for students, undergraduates and postgraduates of institutions of higher education / A.P. Boldin, V.N. Bogumil. Moscow: Technopoligraftsentr, 2016, 154 p.
15. Fundamentals of scientific research: a textbook for students. Institutions of higher Prof. education / A.P. Boldin, V.A. Maksimov. Moscow: Publishing Center «Academy», 2012, 336 p.
16. Voznesensky V. A. Statistical methods of experiment planning in technical and economic research. Moscow: Statistik Publ, 1981, 264
