Машиностроение. Металлургия Әож 621. 91. 02

Одним из ответственных элементов секций механизированных крепей являются гидравлические стойки и домкраты, которые представляют собой раздвижные ступенчатые системы. Эффективность, надежность и долговечность этих узлов в значительной мере зависит от способов противостоять вредному воздействию износа составляющих их деталей коррозии, рабочей поверхности, а также различным видам нагрузок и деформации. Резервы повышения их долговечности заключаются в технологическом обеспечении рационального состояния поверхностного слоя, воспринимающего циклические контактные нагрузки. Для этого широко используют упрочняющую обработку, которая создает поверхностный слой высокой твёрдости и большой толщины.

В настоящее время высокоэффективными методами упрочнения поверхности являются электрофизические и электрохимические методы обработки: ультразвуковая, электроэрозионная, магнитоимпульсная, электрогидравлическая, электроннолучевая, фотоннолучевая, анодно-химическая, электроискровая, под воздействием взрывной волны, лазера и др.

Для нанесения износостойких твердых наноструктурированных покрытий используется метод химического осаждения покрытий из газовой фазы – CVD (Chemical Vapor Deposition). Методы CVD получили особенно широкое распространение для нанесения покрытий на основе карбидов, нитридов, карбонитридов титана, а также окисла алюминия [1].

Покрытия из TiN, TiC являются базовыми для получения износостойких поверхностей деталей. Методами CVD из газовой фазы можно получать однослойные, двухслойные и даже трехслойные покрытия. Каждый слой такого покрытия несет определенную функциональную нагрузку, при этом обеспечивается плавный переход физико-механических свойств от основы к поверхности. Покрытия получают в реакторах с холодными и горячими стенками (рисунок 1).

а) б)

Необходимо отметить следующие преимущества и недостатки CVD-методов нанесения покрытий на изнашиваемые детали ГШО:

– нет необходимости вращения заготовки в процессе нанесения покрытий;

– адгезия нанопокрытия к основе происходит интенсивнее, чем у PVD-методов;

– меньшая чувствительность к качеству подготовки основы перед нанесением на нее нанопокрытия.

Однако существуют также и недостатки вышеупомянутого метода:

– высокие рабочие температуры (до 1100°С);

– ограниченное число наносимых нанопокрытий;

– невозможность селективно наносить нанопокрытия;

– большие габариты установок.

Наряду с CVD-методами нанесения покрытий на изнашиваемые детали ГШО эффективными являются и методы физического осаждения пленок из паров или плазмы – PVD (Physical Vapor Deposition). Существует несколько PVD-методов нанесения вакуумных покрытий: резистивное осаждение, электронно-лучевое испарение, лазерное испарение, вакуумно-дуговое осаждение и магнетронное испарение.

При вакуумно-дуговом осаждении (ВДО) между катодом и анодом инициируется вакуумная дуга, которая испаряет материал катода. Дуговой разряд низкого давления горит в быстро перемещающихся катодных пятнах. Продуктом эрозии, в отличие от катодного распыления, является не поток атомов, а поток ионов материала катода с энергией от 20эВ у лёгких до 180эВ у тяжёлых атомов. При этом напряжение разряда составляет 20-30В при токе от нескольких десятков до сотен ампер. При этом обеспечиваются достаточно высокие скорости роста покрытий до 1,5 мкм/мин и более в зависимости от материала детали.

Преимущества применения вакуумно-дугового осаждения для быстроизнашиваемых деталей ГШО следующие.

ВДО осуществляется из плазмы испаряемого материала покрытия при высоких и управляемых энергиях частиц, что обеспечивает нагрев и термоактивацию подложки в процессе осаждения покрытия;

– эффективную предварительную очистку покрываемой поверхности за счет бомбардировки ионами материала покрытия;

– высокую плотность материала покрытия;

– адгезию покрытия на уровне прочности атомной связи с подложкой;

– высокую точность и воспроизводимость;

– cубмелкозернистую (пластичную) структуру покрытия;

– возможность управления структурой покрытия.

Напуск реакционного газа в вакуумную камеру в процессе ВДО позволяет получать покрытия на основе соединений, обладающие высокими физико-меха­ническими свойствами.

Очередным шагом в развитии вакуумно-дуговой технологии является осаждение покрытий с плазменной ионной имплантацией в процессе нанесения. Метод плазменной ионной имплантации при осаждении реализуется при следующей типичной электрической схеме приложения к подложке постоянного отрицательного потенциала и однополярного отрицательного импульсного потенциала с изменяемой частотой и амплитудой. Для нанесения покрытий в условиях ионной бомбардировки (имплантации) создан технологический комплекс на базе вакуумно-дугового метода (рисунок 2).

Для дополнительной химической активации молекулярного газа при подаче в вакуумную камеру его пропускают через цилиндрическую кварцевую разрядную камеру, в которой с помощью ВЧ генератора генерируются периодически повторяющиеся искро-

вые разряды, обеспечивающие появление ударной волны, которая сжимает и нагревает газ по оси разрядной камеры, в результате чего происходит диссоциация молекулярного газа. После чего атомарный газ, выходя из разрядной трубки, адиабатически расширяется в технологическом объеме без рекомбинации. Деталь 8 (гидроцилиндр домкрата) располагается на подвижной удерживающей подложке, ВЧ напряжение на подложку подавалось через согласующее устройство 5, 6 от ВЧ генератора 7. Затухающие ВЧ колебания в течение одного импульса создают условия для ионной бомбардировки (имплантации) обрабатываемой поверхности энергетическими ионами в начале импульса, а затем и осаждения их на поверхность при соответствующей в течение импульса величине спадающего напряжения. Таким образом, в течение одного импульса автоматически появляются условия для нанесения покрытий, независимо от рабочих характеристик установки (парциального давления рабочего газа, режима работы источника плазмы и т.п.).

Однако дуговой метод нанесения покрытий имеет существенный недостаток – наличие в плазме потока микрокапельной фазы, т.е. капель, испускаемых катодным пятном размером 0,1-10 мкм, что влияет на структуры покрытий, вводя в нее дополнительные искажения, границы, поры. Для уменьшения капельной составляющей создан целый ряд плазменных фильтров.

Таким образом, методы PVD [1, 3] являются более универсальными и гибкими для получения многокомпонентных наноструктурных покрытий деталей ГШО, которые обеспечивают возможности селективного нанесения нанопокрытия; не ограничивают число наносимых покрытий; выполняются в диапазоне небольших относительных температур.

1 – вакуумная камера; 2 – испаряемый материал;

Рисунок 2 – Схема технологической системы синтеза покрытий на базе вакуумно-дугового разряда

Развитие средств вычислительной техники стимулировало распространение инженерного анализа практически на все этапы проектирования машиностроительных технологий и изделий. Многообразие физических процессов в наукоемких изделиях, субъективность в постановке задач анализа, выбор методов решения и многие другие причины привели к огромному числу методик, алгоритмов и программ, предназначенных для решения задач анализа машиностроительных изделий.

Новый системный подход можно определить как интегрированную технологию проектирования, так как процесс совершенствования проектного решения связан с анализом и оптимизацией модели изделия.

В рамках данного подхода была рассмотрена возможность применения системы ADAMS для проведения кинематического и динамического анализов и прочностного анализа с использованием системы ANSYS. В программном комплексе ADAMS динамический анализ моделей механизмов представлен большим набором средств и способов. ADAMS предоставляет быструю и удобную расстановку различных сил, крутящих моментов, моментов инерции тел и их масс. ANSYS представляет собой программу, основанную на методе конечных элементов, с помощью которой создается компьютерная модель или обрабатывается CAD-модель конструкции, изделия или его составной части; прикладываются действующие усилия или другие проектные воздействия; исследуются отклики системы различной физической природы в виде распределений напряжений и температур, электромагнитных полей.

При проведении динамического анализа в системе ADAMS узловые соединения (шарниры) устанавливаются лишь схематично, не имеют массы и, вследствие этого, не экспортируются в конечно-элементные системы для проведения дальнейшего анализа. Шарнирные соединения следует проектировать самостоятельно уже непосредственно в конечно-элементной системе.

Для изучения взаимодействия систем макроанализа ADAMS и микроанализа ANSYS рассматривались отдельные элементы конструкции.

Разработанная методика позволяет провести комплексный анализ сложных механизмов с большей точностью и в более короткие сроки по сравнению с аналитическим решением.

Ниже приведены этапы комплексной методики решения кинематических, динамических и прочностных задач пространственных механизмов с использованием САЕ-систем.

1. Формируется расчетная схема. Необходимые данные: кинематическая схема объекта, геометрия (межосевые расстояния или расстояния между центрами шарниров), предварительные весовые характеристики элементов, краевые (начальные и граничные) условия, силовые условия (нагрузки).

2. Кинематический и динамический анализ объекта в системе ADAMS. Определение наиболее опасного расчетного случая, т.е. положения объекта с максимальными динамическими и статическими усилиями.

3. Трансляция модели в систему ANSYS. Минимальный набор информации, передаваемый в ANSYS, включает межосевые расстояния для элементов и нагрузки для расчетного случая.

4. Прорисовка геометрии на основе конструирования формы элементов объекта, выбор материалов для элементов, геометрии шарниров. Создание конечно-элементной модели для отдельных элементов.

5. Решение прочностной задачи для каждого элемента объекта с оптимизацией его геометрии в ANSYS. Уточнение геометрии и веса каждого элемента объекта.

6. Трансляция моделей в систему ADAMS. Минимальный набор информации включает межосевые расстояния, положение центров тяжести и весовые данные элементов объекта.

7. Повторный кинематический и динамический анализ объекта. Уточнение расчетного случая и усилий.

На основе предлагаемого подхода были проведены следующие исследования и получены следующие результаты:

1) Рассмотрено состояние проблемы, тенденции развития и применения манипуляционных систем.

Разработка методов структурно-кинематического анализа и синтеза, кинетостатического и прочностного расчета параллельных манипуляторов с замкнутыми цепями (ПМ с ЗЦ) повлечет за собой создание качественно новых технологических машин. Проектирование машин подобного класса, ввиду их высокой сложности, требует применения совершенных и точных методов анализа и расчета [1]. Однако, вследствие того, что разработка машин на основе применения ПМ с ЗЦ ведется сравнительно непродолжительное время, для них не существует систем автоматизированного анализа, ориентированных на их проектирование. Как правило, автоматизация проектирования технологических машин, мобильных роботов и манипуляторов обычно ограничивается только подготовкой чертежей с использованием CAD (computer aided design) – систем обычного назначения (например, AutoCAD), а все работы по предварительному проектированию ведутся практически вручную. Эффективность такого подхода является очень низкой. В связи с этим, проблема разработки алгоритмов и методов автоматизированного анализа параметров прочности несущих конструкций машин и манипуляторов, в том числе ПМ с ЗЦ, для проектирования технологических машин является чрезвычайно актуальной [2].

2) Выполнен обзор систем автоматизированного анализа и рассмотрена возможность применения САЕ-систем для моделирования и анализа механизмов.

Для оценки прочности и долговечности элементов параллельного манипулятора необходимо рассмотреть следующие задачи моделирования:

1. Расчет динамических и силовых характеристик ПМ с ЗЦ. Эта задача относится к задачам макроуровня.

2. Расчет на прочность элементов шарнирных соединений, сварных соединений ПМ с ЗЦ. Решение данной задачи относится к микроуровню.

Комплексный метод расчета и проектирования элементов манипуляторов должен базироваться на решении вышеуказанных взаимосвязанных задач и реализуется на базе пакетов MSC.ADAMS и ANSYS.

3) Приведены методы динамического анализа механических систем, лежащие в основе системы ADAMS, теория метода конечных элементов, лежащего в основе системы ANSYS.

Основой ADAMS являются системы дифференциальных уравнений, описывающих динамику исследуемого объекта. Применение устойчивых методов «жестких» систем дифференциальных уравнений обеспечивает получение необходимых результатов с минимальными затратами времени, компьютерных ресурсов и с большой надежностью.

4) Разработана приближенная расчетная схема манипулятора в системе ADAMS.

Произведен кинематический и динамический анализ манипулятора при произвольных краевых и силовых условиях.

Полученные значения сил в шарнире соответствуют предполагаемым, исходя из значения масс элементов и прикладываемых внешних усилий.

Несмотря на множество достоинств ADAMS имеет недостаток: все элементы анализируемых моделей являются жесткими. Однако для решения этой проблемы система предоставляет возможность обмениваться данными с конечно-элементными системами. В частности, система ANSYS позволяет создавать *.mnf файл (modal neutral file), который в дальнейшем импортируется в ADAMS.

5) Изучен и использован интерфейс взаимодействия систем макро- и микромоделирования ADAMS – ANSYS. Предложены некоторые рекомендации по применению.

Был произведен экспорт элементов модели манипулятора в формат Parasolid для передачи в систему ANSYS [3]. После импорта твердотельного элемента в конечно-элементную систему была создана деформируемая модель элемента конструкции (элемент разбит на конечные элементы Solid45, Beam4).

Используя средства передачи данных обратно в систему ADAMS, была подготовлена модель и создан соответствующий mnf файл (рисунок 1). С помощью также встроенных средств деформируемые элементы были вновь импортированы в ADAMS для повторного проведения динамического, кинематического анализов и уточнения расчетного случая и усилий.

Рисунок 1 – Модель, подготовленная для экспорта

Шарнирные узлы, как правило, являются наиболее ответственными и наименее долговечными элементами конструкции. Основным критическим элементом шарнирного узла является проушина, имеющая очень низкий предел выносливости по сравнению с пределом выносливости самого материала. Природа этого явления заключается в высоком уровне концентрации напряжений около нагруженного отверстия, где в зоне максимальных окружных напряжений имеет место коррозия трения (фреттинг-коррозия), связанная с механическим истиранием поверхностей [2,4].

Решение задачи проводилось в уточненной нелинейной постановке с учетом упругопластического деформирования материала и контактного взаимодействия поверхностей деталей. Решение нелинейных задач осуществляется шагово-итерационным методом последовательных нагружений. Для описания пластического поведения использовалась билинейная модель с кинематическим упрочнением, которая справедлива для большинства металлов в случае небольших пластических деформаций.

Результаты проведенных исследований показали, что даже при приложении небольшой нагрузки в зоне отверстий проушин возникают значительные напряжения, превышающие предел допустимых (рисунок 2). Также были рассмотрены способы уменьшения величины контактных напряжений с использованием технологических факторов (посадка оси с натягом, установка вильчатой проушины под углом к центральной проушине).

7) Исследованы проблемы механики разрушения сварных конструкций.

Были рассмотрены образцы, моделирующие поведение основных типов сварных соединений. Используя программу ANSYS, получены значения коэффициента интенсивности напряжений. С помощью программного пакета нетрадиционного математического моделирования многомерных зависимостей ANETR определены регрессионные зависимости и статистические характеристики.

Рисунок 2 – Напряженно-деформированное