Введение. Крупногабаритные подшипники скольжения нашли широкое применение в качестве опорных узлов мельниц самоизмельчения, сушильных барабанов и другого крупногабаритного вращающегося оборудования, используемого в строительной и горнорудной промышленности.
Для повышения эффективности ремонтной обработки антифрикционного слоя крупногабаритных подшипников скольжения предлагается использовать фрезерование, а для его реализации специальный переносной станок (рис. 1), конструкция которого защищена патентами [1, 2]. Замена традиционно используемого ручного шабрения на фрезерование обеспечивает существенное повышение производительности обработки при возможности получения стабильных параметров точности выдерживаемого размера и качества обрабатываемой поверхности [3–5].
Основная часть. Станочный модуль содержит корпус, выполненный в виде двух рам 1 и 2, опирающихся в нижней части опорными элементами, выполненными в виде специальных проточек 3, на соответствующие им проточки сектора подшипника скольжения 4. В верхней части рамы 1 и 2 соединены приводным валом 5, который опирается на их подшипниковые узлы 6. Приводной вал 5 жестко соединен с конечным звеном кривошипно-коленного механизма 7 привода маятниковой круговой подачи. В привод входят редуктор 8 и электродвигатель 9, которые жестко закреплены болтовым соединением на полке 10, установленной на раме 1. На приводном валу 5 жестко закреплена рама 11, в нижней части которой расположен рабочий узел 12, имеющий направляющие 13 с установленным на них линейным модулем 14. Последний через направляющие 13 связан с шаговым двигателем привода продольного перемещения 15. На линейном модуле 14 закреплена фрезерная бабка 16 с закрепленной фрезой 17. На фрезерной бабке 16 расположен привод главного движения 18, который передает вращение фрезе 17. На концах специальных проточек рам 1 и 2 установлены лазерные датчики 19. На полке 10 закреплен управляющий блок 20 на базе микроконтроллеров с устройством ввода-вывода, входы которого соединены с лазерными датчиками 19, а выходы связаны с шаговым двигателем привода продольного перемещения 15 и линейным модулем 14 через панель управления 21.
В процессе проведения ремонтной обработки важной технологической задачей является обеспечение качества опорной поверхности скольжения, к которой предъявляют весьма жесткие требования. Качество поверхности скольжения обуславливает коэффициент и условия трения-скольжения, удержание смази, износостойкость и, как следствие, прямолинейность оси эксплуатируемого агрегата посредством минимального изменения величины зазора в подшипнике в процессе работы, а, следовательно, надежность работы подшипника скольжения и эксплуатируемого агрегата в целом.
Рис. 1. Конструктивная схема и общий вид станка
Добиться требуемого качества обрабатываемой поверхности скольжения возможно, осуществляя процесс механической обработки баббита в определенном заданном интервале технологических параметров (табл. 1). Скорость и глубина резания, величина подачи режущего инструмента при фрезеровании баббита формируют микрорельеф поверхности, определяют температурно-силовые характеристики процесса резания, обуславливают износ режущего инструмента.
В отличие от традиционного фрезерования, где продольная подача – это прямолинейное поступательное перемещение инструмента, особенностью предлагаемого специального оборудования является перемещение инструмента по радиальной поверхности сегмента крупногабаритного подшипника скольжения. Кинематически движение продольной подачи реализовано с использованием четырехзвенного кривошипно-кулисного механизма, расчетная схема которого представлена на рис. 2.
Рис. 2. Четырехзвенный шарнирный кривошипно-кулисный механизм
Вращательное движение кривошипу передается от электродвигателя через редуктор. Кулиса и коромысло преобразуют вращательное движение кривошипа в качательное движение стойки коромысла DE, на которой в точке Е расположен режущий инструмент. Таким образом, формируется движение продольной подачи режущего инструмента. За один полный оборот кривошипа режущий инструмент совершает один рабочий и один холостой ход, вернувшись в исходное положение. Движение поперечной подачи осуществляется в конце каждого полного цикла работы механизма – рабочего и холостого хода. Для отвода инструмента и выполнения поперечной подачи использованы шаговые электродвигатели, которые включаются при пересечении фрезы с лучом лазерных датчиков. Главное движение – вращение фрезы вокруг собственной оси реализовано с использованием в качестве привода асинхронного электродвигателя с частотно-импульсным управлением.
Таблица 1
Технологические параметры фрезерования баббита
|
Диаметр фрезы, мм |
Кол-во зубьев фрезы |
Подача на зуб фрезы, мм/зуб |
Глубина резания, мм |
Шероховатость поверхности Ra, мкм |
Стойкость фрезы, мин |
Мощность резания, кВт |
Скорость резания, м/мин |
|
черновая обработка |
|||||||
|
40 |
6 |
0,12 |
3,7 (4) |
10 |
94 |
0,95 |
126 |
|
45 |
6 |
0,12 |
3,6 (4) |
10 |
83 |
0,99(1,06) |
141 |
|
50 |
6 |
0,12 |
3,5 |
10(7,6) |
73 |
1,1 |
157 |
|
получистовая обработка |
|||||||
|
40 |
6 |
0,12 |
3,1 (3,3) |
6,3 |
94 |
0,76 |
126 |
|
45 |
6 |
0,12 |
3,0 (3,3) |
6,3 |
83 |
0,84(0,91) |
141(150) |
|
50 |
6 |
0,12 |
2,8 (2,3) |
6,3(3,4) |
73 |
0,9(0,76) |
157 |
|
чистовая обработка |
|||||||
|
40 |
6 |
0,12 |
2,2 (2,5) |
3,2 |
94 |
0,56(0,62) |
126 |
|
45 |
6 |
0,12 |
2,0 (2,4) |
3,2 |
83 |
0,59(0,69) |
141(166) |
|
50 |
6 |
0,12 |
1,6 (2,2) |
3,2 |
73 |
0,56(0,73) |
157(183) |
|
Примечание: значения даны для баббита Б16, в скобках - для баббита Б83 |
|||||||
Для достижения требуемых условий процесса фрезерования кинематические параметры используемого специального станочного модуля должны обеспечивать заданные технологические режимы. С этой целью разработан алгоритм кинематического расчета модуля, позволяющий определить выходные рабочие кинематические характеристики исполнительных элементов в зависимости от соотношений конструктивных элементов.
Входными параметрами для расчета являются: – угловая скорость вращения кривошипа ; – длины кривошипа , связующего звена , плеч коромысла и , соответственно; – угол при вершине коромысла; – смещение оси коромысла относительно опоры по горизонтали и вертикали, соответственно.
Рис. 3. Расчетная схема четырехзвенного шарнирного кривошипно-кулисного механизма
Начало системы координат расположено в точке , направления осей показаны на рис.3. Тогда координаты опоры будут следующими:
(1)
а шарнира –
(2)
где
(3)
Координаты шарнира могут быть определены из условий, что он находится на расстоянии от шарнира и на расстоянии от оси коромысла :
(4)
Полученная система уравнений имеет следующее решение:
(5)
где
(6)
Определяем координаты мгновенного центра скоростей звена (МЦС) АВ – точки Р (рис.3). Для этого запишем уравнение прямой, проходящей через точки и :
, (7)
и уравнение прямой, проходящей через точки и :
(8)
Решая совместно уравнения (7) и (8), находим точку их пересечения, являющуюся МЦС звена
(9)
Определяем расстояния от шарниров и до МЦС звена – точки :
(10)
Располагая найденными расстояниями шарниров А и В от мгновенного центра скоростей, получим:
угловую скорость звена
(11)
где ;
скорость шарнира
(12)
угловую скорость коромысла
(13)
и, наконец, скорость относительного перемещения режущего инструмента по обрабатываемой поверхности
(14)
Угловая скорость меняет знак при тех значениях угла поворота кривошипа , при которых величина принимает экстремальные (минимальное, максимальное) значения.
Результаты кинематического расчета исполнительного механизма использованы для построения имитационной модели и виртуального прототипа в программном комплексе MSC Adams с целью кинематического и динамического анализа [6–10]. Модель механизма в среде MSC Adams представлена на рис. 4. Она состоит из четырех твердых тел в соответствии с расчетной схемой (рис.3).
Звенья O1A, AB, BO2, O2C заданы стандартными телами системы MSC Adams типа link, массы и моменты инерции которых определены по детализированной модели, созданной в системе автоматизированного проектирования КОМПАС-3D. Звено BO2 связано с Ground при помощи RevoluteJoint, а со звеном O2C шарниром типа FixedJoint. Остальные звенья связаны между собой посредством RevoluteJoint. К звену O1A посредством RotationalJointMotion приложена постоянная скорость вращения n=0,092 мин-1 в соответствии с табл. 1. В качестве внешних сил были заданы силы сопротивления в поворотных шарнирах, а в точке C приложена сила резания F, направленная по нормали к звену O2C.
Рис. 4. Компьютерная модель механизма станка в среде MSC Adams
с наложенными связями и движением
В результате выполнения кинематического анализа механизма определена траектория движения и скорость перемещения режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности. Рабочие длины кривошипа, кулисы и коромысла подобраны таким образом, чтобы максимальный угол качания фрезы был больше угла сегмента на определенную величину, необходимую для врезания и перебега инструмента, а также для осуществления продольной подачи (рис. 6). На графике рис. 5 отчетливо видны этапы рабочего хода и холостого перемещения инструмента в зависимости от угла поворота кривошипа: на участке угла поворота 0°–180° выполняется быстрое перемещение при холостом ходе, на участке угла поворота 180°–360° – движение с рабочей подачей. Постоянное значение скорости перемещения на этапе рабочего хода обеспечивает стабильность процесса резания и соответствует необходимому значению продольной подачи режущего инструмента на зуб фрезы Sz=0,12 мм/зуб (табл. 1). Увеличение скорости перемещения на этапе холостого хода обеспечит сокращение общего времени обработки.
Рис. 5. Результаты кинематического анализа в среде MSC Adams
Рис. 6. График движения режущего инструмента
В результате динамического анализа механизма были найдены сил моментные характеристики: момент сопротивления M, который необходимо преодолеть для того, чтобы поддерживать постоянную скорость вращения n на валу кривошипа (рис. 7), и динамические реакции в шарнирах опор (рис. 8). Как видно, пиковые значения реакций наблюдаются при угле поворота кривошипа 180° и 360°, а их уровень свидетельствует, скорее всего, об ударном характере воздействия. Полученные результаты расчета момента сопротивления позволяют осуществить выбор электропривода и редуктора с учетом необходимого запаса по мощности, а динамические реакции в шарнирах – выбор подшипников.
Для уточнения влияния этого явления на износ подшипника и его опоры необходимо выполнить моделирование динамики механизма в пространственном представлении, т.е. с интеграцией CAD модели станка в среду MSC.Adams и использовании модуля Adams.Machinery.
Рис. 7. Результаты моделирования механизма в среде MSC Adams:
1 – сила резания; 2 – скорость подачи инструмента; 3 – момент сопротивления
Рис. 8. Графики проекций динамических реакций в соответствующих шарнирах механизма станка
Выводы. Представленная методика кинематического и динамического анализа механизма специального модуля для ремонтной обработки опорной поверхности крупногабаритных подшипников скольжения позволяет конструктивно предусмотреть необходимые технологические параметры механической обработки, обеспечивающие заданное качество обрабатываемой поверхности.
