close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Критериальная система проектирования и использования технологических процессов для повышения эксплуатационных характеристик поверхностного слоя..pdf

код для вставкиСкачать
Машиностроение и машиноведение
УДК 621.9.047
КРИТЕРИАЛЬНАЯ СИСТЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
С.В. Сафонов
Разработан и обоснован новый принцип полезности, позволяющий эффективно изменять эксплуатационные
поверхностного слоя изделий, работающих в условиях высоких силовых нагрузок, температур или знакопеременных
внешних воздействий. Предложенная в работе критериальная оценка технологических воздействий позволила научно
обосновать применимость известных и целесообразность создания новых видов формирования поверхностного слоя с
учетом временных и финансовых ограничений. Рассмотрены возможности и технологии создания комплексных
процессов, расширяющих технологические возможности исполнителей при создании изделий новых поколений
техники
Ключевые слова: критерии полезности, система, технологии, ограничения, методы оценки результативности,
воздействия
Для критериальной оценки уровня
полезности введены следующие обозначения:
Пр1, Пр2, … , Прn – показатель заданных
разработчиком
эксплуатационных
характеристик
перспективного
изделия,
зависящие от состояния их поверхностного
слоя;
n – количество значимых показателей,
обеспечивающих
требуемые
эксплуатационные характеристики изделия;
По1, По2, …, Поn – достигнутые показатели
на современном уровне развития технологии;
Пд1, Пд2, …, Пдn – показатели достижимых
перспективных технологических методов и
средств
повышения
эксплуатационных
характеристик за счет совершенствования
поверхностного слоя;
Ко1; Ко2; … , Коn; Кд1; Кд2; … , Кдm –
векторные
коэффициенты
полезности
технологического воздействия на достигнутый
и достижимый эксплуатационный показатель,
определяемый свойствами поверхностного
слоя; 1
m
–
количество
технологических
воздействий
требуемых
для
совершенствования
эксплуатационных
характеристик изделий за счет изменения их
поверхностных свойств;



K 1 , K 2 , … , K m - положительный
коэффициент полезности, получаемый от
применения
технологических
средств
совершенствования поверхностного слоя при
воздействии
на
достигнутый
уровень
эксплуатационного показателя изделия;
Сафонов Сергей Владимирович – ВГТУ, канд. пед. наук,
профессор,
тел.
8-473-246-29-90,
e-mail:
safonov@vorstu.ru
 

 
K 1 , K 2 , … , K m - коэффициент
оценивающий
возможность
снижения
эксплуатационных показателей от применения
технологического
воздействия
на
поверхностный слой изделия критериями
использования технологических воздействий
на поверхностный слой изделия являются
 

K 1 , K 2 , … , K m → max,
(1)
 
  
K 1 , K 2 , … , K m → min,
(2)
Общий критерий полезности имеет
вид:
  
K o1 ( K o1 ) По1  П р1 ,
  
K o 2 ( K o 2 ) По 2  П р 2 ,
(3)
…………….

 
K om ( K om ) Поn  П рn .
Для разработки концепции выбора или
основания необходимости проектирования
нового технологического процесса требуется
применение и создание новых методов и
средств, учитывающих эксплуатационные
показатели, достигаемые за счет модификации
и изменения характеристик поверхностного
слоя и (в ряде случаев) одновременного
изменения его толщины.
Управление процессом назначения и
выбора методов модификации или изменения
геометрии слоя может выполнятся с
использованием теории подобия [1] и
нестрогого
предпочтения
[2].
Для
критериальной оценки предпочтительного
выбора средств внешнего воздействия следует
использовать накопленный потенциал средств
информации при экспертной оценке выбора
исполнителем (нередко в режиме диалога) и
теории множеств.

Если Пдi = K äi Поi ≥ Прi, то для «i»
технологического воздействия принимается
Прi = Пдi и согласовывается с разработчиком
возможность
снижения
заданных
эксплуатационных показателей до уровня Пдi.
Здесь может быть несколько вариантов:
согласиться
с
использованием
технологических воздействий достигнутого
уровня;
- предоставить технологам время на
разработку новых методов и средств для
совершенствование поверхностного слоя и
достижения первоначально заданного уровня
эксплуатационных показателей изделий;
использовать
комбинированные
технологии, учитывающие при одновременном
воздействии на показатели слоя нескольких
способов
Кm1(По1)+ Кm1(По2)+ … + Кm1(Поm) →
→ Kmax(Поi),
(4)
+
где m = n - n , m  1  m , I = 1 - m
n+, n- - положительные и негативные
показатели при внешних воздействиях.
Изучаемую выборку действия внешних
воздействий на состояние поверхностного слоя
можно ранжировать по одному (главному) или
нескольким эксплуатационным показателям.
Тогда формируется непрерывная (или кусочно
гладкая), которая для
положительных
воздействиях становится выпуклой и имеет
вид:
n 

2
Поi ( K oi )  exp(  K oi ) ,
(5)
1
Показатели, снижающие воздействия
описываются вогнутой функцией вида
n 
(6)
 ( Пoi )   K i 2 ,
1
где φ - оператор, который представляет
совокупность
монотонно
изменяющихся
функций, где критерием является


 ( Пoi , Ki , i ) >  ( Пoi , Ki , i ) , (7)
где τi - время действия на объект для
достижения требуемого (или ожидаемого)
эксплуатационного уровня.
Сочетание различных видов воздействий
(К0) должно дать

Kmax o > K oi ( Пoi ) ≥
П рi
П oi
,
(8)
Если
применять
комбинированные
воздействия, то Кmax o → КΣmax o.
Период времени (τ0) от выбора вида
технологического процесса до его реализации
в изделии может быть весьма длительным, но
он не должен превышать установленного
срока запуска (τу) нового объекта в
производство
τ0 = τпп + τ1 + τк + τи + τд ≤ τу,
(9)
где τпп - время подготовки производства
для
использования
технологии
совершенствования поверхностного слоя для
повышения эксплуатационных показателей
изделия;
τ1 - время изготовления первой детали с
новым поверхностным слоем;
τк - трудоемкость контроля первой детали;
τи - трудоемкость испытаний изделия (или
детали)изготовленной по новой технологии;
τд - период доработки (если требуется)
используемого технологического процесса.
Для решения задачи о суммарном
действии внешних воздействий и достижения
экстремального значения уровня полезности
необходимо:

- наличие шкалы значений K i , после чего
производится
оптимизация
показателей
методом линейного программирования;
- если используется ограниченная
выборка (что, как правило, происходит на
практике), то применяется метод дискретной
оценки воздействий, в том числе при
комбинированном
использовании
таких
воздействий. Здесь могут быть созданы
обобщенные показатели Поi, соизмеримые с Прi
и Пдi, т.к. усредненные значения шкалы
полезности более строго нивелируются среди
этих показателей;
- упрощенной оценкой уровня полезности
одного из заданных разработчиком главного
эксплуатационного показателя (Прi) без учета
положительных
воздействий
других
технологических методов. Этот метод оказался
наиболее востребованным, хотя и дает весьма
приближенные результаты.
Технология
реализации
критериев
воздействия
технологических
методов
воздействия
базируется
на
булевых
переменных, которые открывают возможность
оптимизировать различные воздействия с
получением единственного критериального
показателя полезности ПдΣ.
Алгоритм
построения
системы
критериальной оценки уровня полезности
приведен на рисунке.
Здесь, как правило,



K oi ( Поi )  K pi ( П pi )  K дi ( Пдi ) , (10)
Алгоритм на рисунке дает возможность
систематизировать отдельные воздействия с
возможностью
удаления
негативных
изменений в структуре комбинированных
процессов, установить экспериментальные
значения по достижению эксплуатационных
показателей,
обосновать
допустимые
временные
границы
освоения
новых
технологий с учетом их использования для
перспективных изделий нового поколения
наукоемкой техники, определить возможные
затраты
и
эффективность
применения
известных и разрабатываемых способов
формирования
поверхностных
слоев
с
повышенными
эксплуатационными
характеристиками.
Обоснованность выбранного по рисунку
метода технологического воздействия на
состояние поверхностного слоя зависит от
информационной базы (базы знаний), которая
должна постоянно пополнятся по мере
освоения
новых
изделий.
Оценку
достаточности имеющийся информационной
базы можно выполнить по общему критерию
"Р" [2]

m 
n


1
P   K дi Пдi   ( (K pi П pi  K oi Пoi )d ,

1
0
(11)
0
где ψ - доля «i» воздействия относительно
заданного разработчиком.
Если

n


(
(
K
П

K
  pi pi oi Пoi ))  0 , то
1

0
0
Р → max,
(12)
Тогда функция «Р» становится функцией
насыщения и может быть решена по
зависимости
m 
n


(13)
P  K П  (K П  K П )   (1  e   )  max

1
дi
дi

pi
pi
oi
oi
1
где μ - показатель интенсивности роста
"Р".
где Ку - коэффициент, учитывающий
взаимное
влияние
технологических
воздействий.
Решение (14) имеет вид:
 ä  î
ð
Кpi = Ку Кдi (1 – e
),
(15)
где τд – период времени, необходимый для
разработки и освоения перспективного
способа воздействия;
τо – период доработки и освоения
имеющегося способа воздействия;
τр – время освоения способа воздействия.
Эффективность
выбора
требуемого
способа изменения в нужном направлении
воздействия на поверхностный слой материала
зависит от минимизации требуемого объема
информации, обеспечивающей условие


П oi ≥ Прi,
где Ï oi - может быть единичным или
обобщенным показателем.
Граничным
показателем
оценки
полезности является себестоимость разработки
или адаптации к конкретному изделию
достижимого показателя (Пдi), которая
оценивается через стоимость (С) выпускаемого
объекта производства. Для этого должен
выполнятся критерий
С → min при Пдi → max. (16) (16)
Показатель
"С"
изменяется
по
эскпоненциальной зависимости вида
С = exp [f (Пд1, Пд2, ..., Пдm) ], (17)
где f (Пд1, Пд2, ..., Пдm) - функции факторов
Пд1, Пд2, ..., Пдm, влияющих на полезность
технологических воздействий.
Для получения численных оценок
каждого показателя следует линеализировать
зависимость (17) через полином "П":

 i m
(18)
C  K i f i ( Пдi )  K i П f i ( Пдi ) ,
i 1
Решение уравнения (13) выполняется
методом подобий [1]. Здесь апроксимация
может быть выполнена по аналогии с
управлением электрическим полем [2].

Käi Ï äi  max ,
Условие
отвечает
зависимости, свойственной апериодичному
регулятору,
который
позволяет
минимизировать
время
стабилизации
параметра (в нашем случае время реализации
известных (Поi) или разрабатываемых (Пдi)
показателей воздействий


  K у ( K дi  К pi )d ,
(14)
Решение возможно путем наименьших
квадратов путем установления "min" в (16).
Для этого используют матричный метод в виде
(X'X)A=X'Y,
(19)
где X' - матрица исходных независящих
друг от друга достигаемых эксплуатационных
показателей;
X - матрица достигнутых показателей;
А - матрица коэффициентов полезности;
Y - матрица заданных показателей.
Алгоритм критериальной оценки уровня полезности технологических воздействий на
эксплуатационные показатели изделий
A  ( XX ) 1 ( X Y ) ,
Тогда
А

К1

К2
...

Кn
П p1
Пд1 Пд1
, X
Пд 2 Пд 2
...
Пдm Пдm
,Y
П p2
,
(20)
...
П pn
В (20) П д - комплексный показатель
полезности, достижимый за счет нескольких
технологических воздействий.
Матрица исходных данных имеет вид
П д1 П д1
X 
Пд2 Пд2
,
...
...
...
(22)
где
- обратная матрица,
( XX )
позволяющая при проектировании новых
технологий учесть прямое воздействие
применяемого способа на эксплуатационный
показатель (или показатели) и создать систему
адаптивного
управления
процессом
совершенствования состояния поверхностного
слоя изделий.
Критерии, определяющие полезность
воздействий [3] на поверхностный слой
изделий, приведены в таблице. Здесь
укрупненно показана критериальная оценка
основных воздействий, часть которых может
изменять вектор воздействия в зависимости от
условий применения способа.
1
(21)
П дm П дm
Решение уравнения (20) выполняют в
виде обращения матриц
Критериальная оценка вектора полезности различных видов технологических воздействий
Усталостная прочность
Защита от внешних
воздействий
Придание новых
эксплуатационных свойств
- покрытия
Износостойкость
1
Без изменения
поверхностного слоя
Со снятием:
- припуска
Жаростойкость
Виды воздействий
Восстановление исходных
эксплуатационных свойств
Вектор полезности на эксплуатационные
показатели изделий (+ - повышение, - - снижение,
0 – не оказывает существенного воздействия, оо –
влияет при особых условиях)
2
Химикотермическое *
Виброупрочнение
3
0
0
4
0
0
5
+
0
6
+
+
7
+
оо
8
оо
оо
МО** и ЭМО***
Магнитовибрационное удаление
толстых покрытий
+
0
оо
-
-
+
+
0
оо
0
0
+
ЭЭП****
Лазер
Ионоплазменные (ИП)
Лазер
ИП
ЭХ*****
0
0
0
0
0
оо
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
0
оо
оо
-
+
+
0
оо
+
0
+
+
+
оо
оо
оо
Способы воздействий
С наращиванием:
- однородного слоя
- слоя с гранульными
включениями
* электроэрозионное легирование в среде
жидких газов
**МО – механическая обработка
***ЭМО – электрические методы обработки
****ЭЭП – электроэрозионное покрытие
*****ЭХ – электрохимическое покрытие
В
таблице
не
рассматриваются
общеизвестные
технологические
приемы
(например,
цементация,
азотирование,
цианирование) достаточно полно освещенные
в справочной литературе. Значительная часть
технологических способов и воздействий,
приведенная в таблице, находятся на уровне
изобретений и пока слабо изучены, хотя их
применение в перспективных изделиях весьма
желательно.
При наращивании однородного слоя
(таблица) удается получить новые свойства
материалов
при
сохранении
или
восстановлении
полезных
свойств
(коэффициентов
полезности)
за
счет
химического и термического воздействия при
покрытии материалов, не обладающих,
например, высокой степенью защиты от
внешних факторов (в частности, коррозии в
агрессивных средах), что необходимо для
двигателей, работающих с агрессивными
топливами.
Включение гранул в покрытия (таблица)
открывает возможность переносить их особые
эксплуатационные характеристики на всё
изделие, сохраняя при этом полезные свойства
основного материала. Примером может
служить нанесение высокотемпературного
покрытия из чугуна на легкоплавкий
алюминиевый сплав, имеющий более низкую
удельную массу, но слабую защиту от
действия агрессивных сред и малую
износостойкость.
Более
подробно
эксплуатационные
характеристики изделий с измененными
свойствами поверхностного слоя приведены в
[3].
Заключение
Предложенный
принцип
полезности
позволил разработать систему критериальной
оценки выбора и приоритетов разработки
способов технологических воздействий на
поверхностный слой изделий, что дало
возможность
целенаправленно
улучшать
характеристики объектов, работающих при
высоких механических, термических внешних
воздействиях, предел которых в ряде случаев
близок
к
теоретически
достижимому
показателю.
Рассмотрены временные и затратные
ограничения к созданию и использованию
новых видов технологических воздействий,
что является базой для математического
моделирования комбинированных воздействий
и проектирования технологических процессов
модификации свойств, размеров покрытий
поверхностного
слоя
изделий
нового
поколения, особенно для авиакосмической
отрасли.
Литература
1. Безъязычный, В.Ф. Метод подобия в технологии
машиностроения [Текст] / В.Ф. Безъязычный. - М:
Машиностроение, 2012. – 320 с.
2. Смоленцев, В.П. Использование векторного
критерия нестрогого предпочтения при выборе
допустимых решений [Текст] / В.П. Смоленцев, Н.М.
Бородкин
//
Математическое
моделирование,
компьютерная оптимизация технологий, параметров
оборудования и систем управления лесного комплекса:
межвуз. сб. науч. тр. Вып. 8. Часть 2. - Воронеж: ВГЛТА,
2003. – С. 5-15.
3. Сафонов, С.В. Повышение эксплуатационных
характеристик
деталей
путем
модификации
поверхностного слоя [Текст]/ С.В. Сафонов, В.П.
Смоленцев,
А.И.
Портных.
В
монографии
«Прогрессивные
машиностроительные
технологии,
оборудование и инструменты». В 5 т. Т.3; под ред. А.В.
Киричека. - М: Изд.дом «Спектр», 2014. - С.365-406.
Воронежский государственный технический университет
THE CRITERIAL SYSTEM IN PLANNING AND USING THE TECHNOLOGICAL PROCESSES
FOR ENHANCING THE OPERATING CHARACTERISTICS OF THE SURFACE LAYER
S.V. Safonov
The new principle of utility has been developed and substantiated which makes it possible to effectively vary the
operating characteristics of the surface layer in products, working under high power loads, temperatures or alternating external
impacts. The proposed criterial assessment of technological impacts has provided the scientific justification for applicability of
the known types of surface layer creation, and desirability of developing new ones, with account of time and financial
constraints. The paper investigates the opportunities and technologies of devising complex processes, which enhance the
technological capabilities of actors when creating the new-generation equipment
Key words: utility criteria, system, technologies, constraints, the methods of efficiency evaluation, impacts
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа