Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, Россия
УДК 534.8 Применение акустики
УДК 621.813 Разъемные соединения
УДК 62-771 Устройства для облегчения монтажа и демонтажа. Разборные машины
Проанализирован ряд работ, посвященных ультразвуковым сборке и разборке, а также выявлены их недостатки, в частности слабое внимание к вопросу многофакторного влияния на процессы сборки с применением ультразвука. На основе анализа источников определены факторы, способные значительно влиять на процесс сборки резьбовых соединений, которыми являются температура, масса собираемого соединения, а также амплитуда колебаний. Рассмотрено влияние на сборку указанных факторов в отдельности, а также их одновременное воздействие на процесс сборки с применением ультразвука. Результаты показали, что увеличение массы собираемого резьбового соединения увеличивает эффективность применения ультразвука. Также результаты показали, что 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 средних значениях температуры и в диапазоне 10 % при граничных значениях. 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. Обработка результатов многофакторного эксперимента велась двумя различными методами, в результате чего были получены схожие зависимости, что, в свою очередь, подтверждает высокую достоверность полученных результатов.
технология, ультразвук, колебания, сборка, резьбовые соединения
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. Апажев А.К., Шекихачев Ю.А., Хажметов Л.М. и др. Повышение эксплуатационной надежности сельскохозяйственных машин // Техника и оборудование для села. 2023. № 4 (310). С. 12–16. DOIhttps://doi.org/10.33267/2072-9642 2023-4-12-16. – EDN HHJDDY.
2. Липка В.М., Копп В.Я., Рапацкий Ю.Л. Исследование возможности повышения надежности резьбовых соединений, получаемых автоматизированной сборкой, на основе рационального выбора параметров резьбонакатывания // Автоматизация: проблемы, идеи, решения: материалы международной научно-технической конференции, Севастополь, 07–11 сентября 2015 года. – Севастополь: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Севастопольский государственный университет», 2015. С. 46–49. EDN VXSNTZ.
3. Рапацкий Ю.Л., Липка В.М., Хаустович А.Г. Повышение качества автоматизированной сборки резьбовых соединений на основе системы активного контроля параметров затяжки // Автоматизация и приборостроение: проблемы, решения : материалы международной научно-технической конференции, Севастополь, 05–09 сентября 2016 года / Севастопольский государственный университет; науч. ред. В.Я. Копп. – Севастополь: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Севастопольский государственный университет», 2016. С. 35–36. EDN WPWHQR.
4. Белевский Л.С., Ефимова Ю.Ю., Дема Р.Р. и др. Испытания резьбовых покрытий муфт насосно-компрессорных труб на муфтонаверточной машине // Тяжелое машиностроение. 2021. № 7-8. С. 39–44. EDN FYKKTF.
5. Винников Д.А., Ягопольский А.Г., Комкова Т.Ю. Фиксация резьбовых соединений в конструкции распорки-гасителя // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2018. № 4. С. 5–9. EDN XNRBTN.
6. Иванов А.С., Муркин С.В., Новиков Е.С. Влияние контргайки на распределение нагрузки по виткам резьбы винта затянутого резьбового соединения // Вестник машиностроения. 2024. Т. 103, № 3. С. 189–192. DOIhttps://doi.org/10.36652/0042-4633-2024-103-3-189-192. EDN NIBTZM.
7. Прокофьев А.Н. Технологическое обеспечение и повышение качества резьбовых соединений: специальность 05.02.08 «Технология машиностроения»: автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Прокофьев Александр Николаевич. Брянск, 2008. 34 с. EDN NJIWRZ.
8. Нигметзянов Р.И., Сундуков С.К., Сухов А.В., Фатюхин Д.С. Особенности сборки резьбовых соединений различных размеров при использовании сдвиговых ультразвуковых колебаний // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2021. № 12 (126). С. 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. Нечай А.А., Нигметзянов Р.Н., Сундуков С.К. и др. Сборка резьбовых соединений под воздействием сдвиговых ультразвуковых колебаний // СТИН. 2021. № 12. С. 16–19. EDN EOHUYR.
12. Вишневская А.Н. Повышение производительности и качества ультразвуковой сборки резьбовых соединений // Ультразвук: проблемы, разработки, перспективы: Материалы международной научной конференции, Уфа, 25–29 сентября 2017 года / Ответственный редактор А.А. Назаров. – Уфа: Башкирский государственный университет, 2017. С. 24–26. EDN YRBVOS.
13. Шуваев В.Г., Шуваев И.В. Повышение надежности резьбовых соединений применением ультразвуковой сборки // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016. Т. 18, № 4-2. С. 394–398. EDN XAZQBT.
14. Использование модулей программы STATISTICA и расчетных моделей для решения научных задач в области технической эксплуатации автомобилей: учебное пособие для студентов, магистрантов и аспирантов учреждений высшего образования / А.П. Болдин, В.Н. Богумил. М.: Техполиграфцентр, 2016. 154 с.
15. Основы научных исследований: учебник для студ. Учреждений высш. проф. образования / А.П. Болдин, В.А. Максимов. М.: Издательский центр «Академия», 2012. 336 с.
16. Вознесенский В. А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Статистика, 1981. 264 с.
