ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ВАЛОВ ПРИ РЕМОНТЕ

Валы шпиндельных узлов несут на себе сопряженные детали механизмов и поэтому в зависимости от конструкции работают в основном на совместное действие изгиба и кручения или значительно реже только на кручение.

В отличие от валов оси не передают крутящего момента, но также несут на себе те или иные детали и работают только на изгиб.

В процессе эксплуатации основные и вспомогательные поверхности валов и осей изнашиваются и требуют ремонта [50]. При выполнении ремонтных работ необходимо уделять внимание вопросам обеспечения прочности этих деталей в связи с конструктивными и технологическими факторами. Особенно следует учитывать наличие источников концентрации напряжений в деталях данного типа.

Галтель на валу (оси)

Рис. 9.63. Галтель на валу (оси)


Так, галтели ступенчатых переходов между цилиндрическими поверхностями вала различного диаметрального размера D и d (рис. 9.63) являются источником значительной концентрации напряжений, особенно при малых радиусах закругления г и больших заплечиках.

При ремонте валов галтели следует выполнять исходя из возможности максимального увеличения радиуса г (см. рис. 9.63), так как коэффициент концентрации напряжений зависит от соотношения радиуса галтели г к диаметральному размеру вата (оси) d. Применение отношений r/d < 0,1 приводит к резкому увеличению неравномерности распределения напряжений и коэффициентов концентрации напряжений при изгибе а) и кручении (&.), доходящих по значению до двух и выше [39].

При плавном переходе между ступенями вата концентрация напряжений практически устраняется полностью (рис. 9.64). В табл. 9.3 приведены размерные данные гагтели (см. рис. 9.64), при которых концентрация напряжений устраняется.

Табл и ца 9.3

Данные для конструирования галтели

У

d

0,0

0,005

0,01

0,04

0,10

0,20

0,50

1,00

1,60

dy

d

Растяжение-сжатие или кручение

1,636

1,594

1,572

1,483

1,374

1,260

1,096

1,019

1,0

Изгиб

1,475

1,377

1,336

1,230

1,145

1,052

1,026

1,010

1,0

Для сокращения длины переходного участка между ступенями вала используют эллиптическую галтель, т.е. переход с плавным уменьшением радиуса кривизны р (рис. 9.65). Для построения эллиптической галтели по заданным параметрам — диаметральным размерам dnD (сплошной вал) ndvd2nD (полый вал) следует определить полуоси эллипса — большую а и малую Ь. Для сплошного вала отношение а/b принимается (1,0—2,5) • (a/d) для полого вала рекомендуется а/b = (1—2,5) • (a/(d{ - d2)), где dlnd2 соответственно наружный и внутренний диаметральный размер полого вала.

Эллиптическую галтель можно заменить галтелью, которая описывается двумя (и даже тремя) радиусами. При этом часть галтели, которая примыкает к меньшему сечению, описана радиусом большего размера. На рис. 9.65 для сравнения с эллиптической галтелью показана галтель, описанная радиусами pt и р2. При этом галтель радиусом Pj > р2 близка к эллиптической галтели радиусом р = 0, Id.

Конструкция галтели без источника концентрации напряжений

Рис. 9.64. Конструкция галтели без источника концентрации напряжений


Схема конструкции круговой и эллиптической галтели

Рис. 9.65. Схема конструкции круговой и эллиптической галтели




Во многих случаях из-за конструктивных причин невозможно увеличивать радиус галтели. В этих случаях для уменьшения концентрации напряжений можно использовать различные конструктивные мероприятия. На рис. 9.66 показан вал, у которого радиус галтели увеличен за счет кольца А Если такое кольцо отсутствует, то пришлось бы выполнить вал с меньшим радиусом галтели. Это приводит к росту концентрации напряжений.

На рис. 9.67 дан способ уменьшения концентрации напряжений за счет выполнения закругления радиусом R, который входит в уступ вала (поднутрение). Поднутрение может быть выполнено также с некоторым углублением галтели в тело вала, что дает возможность еще больше увеличить радиус R и уменьшить концентрацию напряжений. Однако значительное увеличение радиуса R может привести к ослаблению прочности вала, а шлифование такой галтели затруднено.

Увеличение радиуса галтели посредством установки промежуточного кольца Л

Рис. 9.66. Увеличение радиуса галтели посредством установки промежуточного кольца Л


Поднутрение галтели

Рис. 9.67. Поднутрение галтели: о-в уступ вала; б - в уступ вала и в вал


Улучшить распределение напряжений можно также путем выполнения дополнительных разгружающих выточек (рис. 9.68, а). На рис. 9.68, б показан график изменения максимальных напряжений у дна основной и разгружающей выточек, в зависимости от глубины последней. Напряжения а, и а2 на графике отнесены к напряжениям а0 на дне основной выточки при отсутствии разгружающей. При отношении глубин основной и разгружающей выточек, равном 0,9, напряжения около них уравниваются и напряжения у основной выточки снижаются на 20% [39]. Поэтому рационально в валах и осях с галтелями выполнять разгружающие канавки (рис. 9.69). Жесткость вала в данном (в части большего сечения) случае уменьшается незначительно, но происходит выравнивание напряжений.

На рис. 9.70 показана обычная конструкция вала с установленным подшипником и улучшенная конструкция, где использована галтель с поднутрением и разгружающая канавка.



Снижение концентрации напряжений на дне основной выточки (t) с применением разгружающих выточек (f-b/f„=1,5)

Рис. 9.68. Снижение концентрации напряжений на дне основной выточки (tm) с применением разгружающих выточек (fa-b/f„=1,5)


Разгружающая канавка у вала с галтелью

Рис. 9.69. Разгружающая канавка у вала с галтелью


Передача крутящего момента или осевых сил, или того и другого в соединениях валов с установленными на них деталями осуществляется различными способами. Наиболее распространены зубчатые и шпоночные соединения. При средней напряженности валов по кручению и невысокой точности центрирования используются шпоночные соединения. Коэффициенты концентрации напряжений при изгибе (к ) и кручении ) валов со шпоночными пазами составляют ?ст = (1 >5—2,0) и &. = (1,5 —1,9).

Для снижения коэффициента концентрации напряжений целесообразно выполнять шпоночные канавки дисковой фрезой вместо пальцевой (рис. 9.71).

Зубчатые (шлицевые) соединения используются при высоких напряжениях кручения в вале, когда шпоночное соединение становится неприемлемым из-за высоких напряжений смятия. Коэффициенты концентрации напряжения для шлицевых валов при кручении составляют для прямоугольных шлицев кх - 1,9, а для шлицев с эвольвентным профилем ?. = (1,2—1,3).

Посадка шарикоподшипника на вал

Рис. 9.70. Посадка шарикоподшипника на вал:

а - обычная, б - улучшенная


Для повышения усталостной прочности вала, имеющего шлицы прямоугольного профиля, так же как и у шпоночного паза, необходимо увеличивать радиус закругления у основания.

Во всех случаях для повышения усталостной прочности нужно отдавать предпочтение шлицам с эвольвентным профилем, у которых усталостная прочность выше в два раза, чем у шлицев с прямоугольным профилем.

Источником значительной концентрации напряжений являются поперечные отверстия в валах (рис. 9.72) [1, 39]. Значения коэффициентов концентрации напряжений при изгибе вала из обычных конструкционных сталей с поперечным отверстием ка = (1,5—2,5), а при кручении кх = (1,5—2,0).

Отношение диаметров d отверстий к диаметру D вала (см. рис.9.72) значительно сказывается на величинах коэффициентов ко и кх при значениях d/D = (0,25— 0,3).


Шпоночные канавки

Рис. 9.71. Шпоночные канавки: а - продольного фрезерования (дисковой фрезой); б - торцовой (пальцевой фрезой)


Вал с поперечным отверстием

Рис. 9.72. Вал с поперечным отверстием


Смазочные отверстия в валах обусловливают значительную концентрацию напряжений и являются местом начала возникновения усталостной трещины. Поэтому желательным является упрочнение поперечных отверстий. Упрочнение может выполняться различными способами (рис. 9.73): раззенковкой отверстия с наружной стороны (рис. 9.73, а); снятием лыски в месте выхода масляного отверстия (рис. 9.73, б); обжатием отверстия шариком (рис. 9.73, в); запрессовкой в отверстие втулок с меньшим модулем упругости, чем материал вала (рис. 9.73, г); выполнением разгружающих канавок около масляного отверстия (рис. 9.73, д).

Наиболее эффективным способом является изготовление разгружающих канавок путем вдавливания в поверхность штемпеля (пуансона) шириной, равной диаметральному размеру отверстия, на глубину около 0,3d последнего. Края разгружающей канавки не должны доходить


Конструктивное упрочнение вала с поперечным отверстием

Рис. 9.73. Конструктивное упрочнение вала с поперечным отверстием: а - раззенковка отверстия; 6 - снятие лыски; в - обжатие отверстия шариком; г - запрессовка втулки; д - выполнение разгружающих канавок


до края отверстия. При таком исполнении коэффициент концентрации значительно снижается. Удаление материала около поперечного отверстия также уменьшает этот коэффициент (рис. 9.74) [3].

При запрессовке в поперечное отверстие втулки, имеющей меньший модуль упругости, чем материал вала, создаются по краям последнего остаточные сжимающие напряжения (рис. 9.75). При этом максимум растягивающих напряжений и коэффициент концентрации при кручении уменьшаются на (25—30)%.

На вал устанавливаются различные детали: подшипники качения, шестерни, ступицы, втулки могут вызывать значительное снижение предела усталости, что обусловлено концентрацией напряжений в месте контакта кромки смонтированной детали, а также эффектом

Снижение концентрации напряжений у поперечного отверстия путем удаления ненагру- женной части материала

Рис. 9.74. Снижение концентрации напряжений у поперечного отверстия путем удаления ненагру- женной части материала


Эффект от запрессовки втулки в поперечное отверстие

Рис. 9.75. Эффект от запрессовки втулки в поперечное отверстие


поверхностной коррозии трения, возникающим при упругих смещениях вала относительно детали при их совместной деформации. Совместное действие двух указанных факторов при увеличении абсолютных размеров деталей сказывается более сильно, чем при действии других источников концентрации напряжений. При обычных конструктивных соотношениях деталей влияние галтели, которая расположена в области угла контакта смонтированной детали, дает меньшее значение коэффициента концентрации напряжений. Поэтому при расчетах на выносливость следует учитывать больший коэффициент концентрации напряжений от смонтированной детали в том же сечении. При посадке колец подшипников это имеет место при соблюдении рекомендуемых конструктивных параметров заплечиков и галтелей [39]. Особенности источников возникновения концентрации напряжений смонтированных на вал деталей обусловливает и специальные меры конструктивного упрочнения. Последнее реализуется следующими способами: выполнением разгружающих выточек в напрессованных деталях, а также таких выточек в валах и осях у края монтируемой детали. Эффективные результаты дают разгружающие выточки у вала (рис. 9.76), выполненные накаткой или выдавливанием, так как при этом происходит поверхностное упрочнение. Указанные выточки увеличивают усталостную прочность по сравнению с ранее применявшимися конструкциями (рис. 9.77) более чем на 40%.


Накатанные разгружающие выточки

Рис. 9.76. Накатанные разгружающие выточки: а, б- разные конструкции; 0 = 0,06-1,08)-с/


Прессовые соединения

Рис. 9.77. Прессовые соединения: а, б - разные конструкции


Использование указанных мероприятий по повышению прочности валов повышает качество ремонта и ресурс восстановленных деталей.


Глава 10

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА И МОДЕРНИЗАЦИИ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ

При физическом износе шпиндельных узлов проводят их ремонт, основным принципом которого является достижение наибольших экономических результатов при наименьших затратах. Капитальный ремонт влияет на сроки эксплуатации техники и степень ее морального изнашивания. Эффективность возмещения морального изнашивания необходимо оценивать с учетом экономической эффективности проведения очередного капитального ремонта. Оценивать экономическую эффективность расходов на компенсацию морального и физического изнашивания следует в сравнении с расходами на внедрение новой техники. Существует ряд методов определения экономической эффективности проведения капитального ремонта машин и оборудования путем сопоставления с эффективностью внедрения новой техники: выявление минимальных приведенных расходов или себестоимости выпускаемой продукции; сравнение приведенных расходов; сравнение допустимых и фактических расходов [15]. Указанные методы дополняют друг друга. Выбор методов определяется назначением капитального ремонта, целями и задачами экономического обоснования его эффективности.

Капитальный ремонт служит основой для поддержания машин и оборудования в рабочем состоянии в течение межремонтного цикла эксплуатации и амортизационного срока службы. На этапе установления амортизационных сроков службы, норм амортизационных отчислений на реновацию выявляют число и экономическую эффективность капитальных ремонтов по минимуму приведенных расходов на эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт или по минимуму себестоимости выпускаемой продукции. Оптимальным является продолжительность службы техники, за пределами которой приведенные расходы и себестоимость продукции начинают увеличиваться. При этом в пределах амортизационного срока службы капитальный ремонт считается эффективным, если он установлен в


зависимости от кратности и длительности межремонтных циклов эксплуатации.

В настоящее время в промышленности эксплуатируется за пределами амортизационного срока службы значительное количество машин и оборудования различного служебного назначения. Это обусловлено выполнением очередного ремонта в конце или после амортизационного срока службы техники, что приводит к моральному старению парка машин и оборудования. Однако некоторое оборудование, крупную и уникальную дорогостоящую технику или оборудование можно эффективно эксплуатировать и за пределами амортизационных сроков службы, если они прошли комплексную модернизацию. Научно-технический прогресс обусловливает преждевременное моральное старение действующей техники, моральный износ наступает в пределах амортизационного срока службы (например, старение токарных станков мод. 16К20 с ручным управлением в связи с выпуском станков 16К20 с ЧПУ - 16К20ФЗ, 16К20Т1).

Учитывая это, нужно четко обосновывать необходимость выполнения очередного капитального ремонта и дальнейшей эксплуатации машин и оборудования в пределах или за пределами амортизационного срока службы. Экономическую эффективность очередного капитального ремонта следует определять сопоставлением расходов на его выполнение с расходами на приобретение и внедрение новой техники вместо морально устаревшей.

Таким образом, в зависимости от назначения капитального ремонта (сохранения работоспособности техники в пределах амортизационного срока службы; продления эксплуатационного периода техники за пределами этого срока) необходимо использовать различные методы экономического обоснования эффективности возмещения физического изнашивания: метод определения минимума приведенных расходов или себестоимости продукции; метод сравнения приведенных расходов.

Важной задачей обоснования экономической эффективности капитального ремонта является анализ и оценка резервов снижения его себестоимости, а также нормирование расходов. Средством решения этой задачи является установление допустимых расходов, выше которых капитальный ремонт становится неэффективным. Допустимый предел расходов на выполнение /-го капитального ремонта равен балансовой С, „ стоимости нового оборудования, т.е. Р. = С- .

Однако новое оборудование имеет более высокую производительность, физическую долговечность и продолжительность межремонтного цикла по сравнению с оборудованием, которое прошло капитальный ремонт, поэтому допустимый предел расходов на выполнение капитального ремонта должен быть уменьшен путем корректировки стоимости нового оборудования: Pv. = С. и/(К„ К„ „), где К ц

К/ О.Н' п. н д.н п.н


и н — соответственно коэффициенты повышения производительности (мощности) и физической долговечности (увеличения продолжительности межремонтного цикла эксплуатации нового оборудования).

Новая техника, обладая большей производительностью и уровнем автоматизации, снижает себестоимость изготовления изделий, вследствие этого необходимо уменьшить допустимый предел расходов на капитальный ремонт на сумму ЛЭс/, обусловленный снижением себестоимости изготовления изделий. Однако такие изменения себестоимости должны быть учтены на весь межремонтный цикл 7 эксплуатации оборудования после выполнения очередного капитального ремонта:

Остаточная (недоамортизированная) часть стоимости оборудования теряется при его сдаче в металлолом, поэтому PKj повышается на величину остаточной стоимости (+Со) изношенной техники и уменьшается на ту же величину(-Со), если эта техника будет продана. В первом случае ликвидационная стоимость Сл также уменьшает допустимый предел расходов на проведение капитального ремонта:

Определение допустимых пределов расходов на капитальный ремонт позволяет планировать их в себестоимости промышленной продукции на основе установленных нормативов (лимитов) затрат по объекту, подлежащему ремонту. Установленные нормативы (лимиты) расходов способствуют выполнению контрольных функций, для того чтобы планируемые расходы Pv п,.и фактические расходы Рк ф/ не превышали допустимых PKj, т.е.

Установление допустимого предела расходов имеет практическое значение, которое состоит в систематическом анализе расходов на капитальный ремонт оборудования путем сопоставления его фактической себестоимости Рк .. с нормативами (лимитами) расходов и допустимыми пределами расходов. Результаты такого анализа положительны, если соблюдается условие Если это условие

не соблюдается, то практически можно определить и оценить снижение себестоимости капитального ремонта для того, чтобы он стал экономически эффективным. Размеры АР резервов уменьшения себестоимости определяются из выражений: 1) при планировании расходов на капитальный ремонт [51] 2) при


анализе фактических расходов на капитальный ремонт Рк ... п/ = = Рк<ы ~ >кш-; 3) ПРИ определении фактической эффективности капитального ремонта


Капитальный ремонт можно считать экономически эффективным при условии . В этом случае экономический эффект от очередного капитального ремонта оборудования по сравнению с его заменой новым определяется из выражения: Отрицательное значение Эк ф показывает величину экономического ущерба от проведения капитального ремонта.

Определение предельных расходов позволяет также выявить экономическую эффективность модернизации устаревших машин и оборудования или их полной замены новой прогрессивной техникой. В ряде случаев в результате конструктивных изменений деталей и механизмов или добавления некоторых механизмов, не требующих больших затрат, устаревшее оборудование приобретает такие эксплуатационные качества, которые обеспечивают возможность его использования с не меньшим производственным эффектом, чем новое.

Таким образом, модернизация — это частичное обновление средств труда, при котором устраняется моральный износ. Основным критерием экономической эффективности модернизации является доведение технического уровня машин и оборудования до уровня технико-эксплуатационных показателей новой прогрессивной техники. Возврат вложенных в модернизацию средств в установленные сроки является ограничивающим условием.

Модернизации можно подвергать не только устаревшее оборудование, выпуск которого прекращен, но и сравнительно новое, требующее устранения некоторых конструктивных недостатков, выявленных в процессе его эксплуатации, для повышения надежности и долговечности. Модернизация выгодна не только для основного производства, но и для ремонтной службы, в частности потому, что создает предпосылки для унификации деталей и механизмов оборудования, выпущенного в разное время [51]. Работы по модернизации оборудования целесообразно совмещать с капитальным ремонтом, в результате удается избежать лишних расходов, которые связаны с разборочно-сборочными работами. Кроме того, при выполнении капитального ремонта некоторые изношенные детали или механизмы заменяют деталями и механизмами новой конструкции, предусмотренными проектом модернизации. Расходы на модернизацию, которая производится в процессе капитального ремонта, составляют (4—5)% общих затрат на капитальный ремонт машин и оборудования. В современных производственных условиях при подготовке любого капитального ремонта технологического оборудования необходимо рассматривать вопрос о возможности и целесообразности выполнения тех или иных работ по модернизации.

Если модернизация требует усложнения конструкции машин (введение дополнительных механизмов или приборов), то в дальнейшем на их капитальный ремонт могут потребоваться большие средства. В связи с этим важно установить экономическую целесообразность модернизации, которая определяется совокупностью ряда показателей: повышением производительности оборудования, уровнем затрат на модернизацию, экономией на эксплуатационных расходах после модернизации, сроком окупаемости затрат.

Наиболее эффективным критерием выбора объектов модернизации является усовершенствование действующего оборудования, которое лимитирует выпуск продукции по цеху или предприятию. При этом модернизация уникального и дорогостоящего оборудования, амортизационный срок службы которого составляет десятки лет, является наиболее эффективной.

Необходим также правильный выбор направлений модернизации. Производственная практика показывает, что лишь комплексная модернизация и модернизация по системе «станок — инструмент — приспособление» отвечает требованиям основного критерия модернизации. Например, экономический эффект от комплексной модернизации металлообрабатывающих станков в 4—8 раз больше по сравнению с частичной модернизацией. Производительность оборудования при осуществлении комплексной модернизации увеличивается в среднем на (20—25)% против (5 — 10)% при частичной [15].

Важным аспектом является установление базы сравнительной оценки эффективности модернизации. Если решается вопрос о целесообразности выполнения модернизации с учетом альтернативного варианта замены морально устаревшей техники, то базой для сравнительной оценки выступает новая прогрессивная техника. Поскольку комплексная модернизация служит главным условием выполнения очередного ремонта, то экономия от модернизации в первую очередь должна возместить расчетные (Р - Р ) или фактические .. - Р .) потери от капитального ремонта и окупить в установленные сроки расходы на усовершенствование действующей техники. Тогда расчетный (плановый) Эм п и фактический Эм ф экономический эффект от комплексной модернизации определяется из выражений:

где Эм — годовая экономия от модернизации; Ен нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений и внедрения новой техники; Рм единовременные расходы на модернизацию.


При выбранной базе сравнения (новая прогрессивная техника) комплексная модернизация эффективна при следующем условии:

где ?р м и ?ф м — соответственно расчетный (плановый) и фактический коэффициенты экономической эффективности модернизации.

Единовременные расходы на модернизацию обычно окупаются в течение 0,5 — 1,7 года. Относительная экономия от снижения себестоимости продукции в результате модернизации оказывается, как правило, выше экономии, получаемой в результате механизации и автоматизации действующего производства.


 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >