Исследование точности изготовления крупногабаритных корпусов вращения опытного образца геохода
ART 86432
А.
В. ВальтерБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Вальтер
А.
В.,
Нозирзода
Ш.
С.,
Ивкин
А.
Н. Исследование точности изготовления крупногабаритных корпусов вращения опытного образца геохода // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
2021–2025. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86432.htm.
Аннотация. В статье приведены результаты исследования опытного образца геохода – нового вида щитовых проходческих агрегатов, предназначенных для возведения подземных сооружений и проходки выработок различного назначения. Приведены результаты координатного контроля и статистического анализа крупногабаритных корпусов вращения геохода. Созданы математические модели действительных поверхностей корпусов, и выявлены факторы, влияющие на их геометрическую точность.
Ключевые слова:
точность, геоход, геотехнология, крупногабаритные сегментные изделия, координатный контроль
Текст статьи
Нозирзода Шодмон Салохидин,Студент гр. 10А41, Юргинскийтехнологический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Юрга, Кемеровская обл.shoni_1997@mail.ru
Ивкин Алексей Николаевич,Студент гр. 10300, Юргинскийтехнологический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Юрга, Кемеровская обл.ran1092@mail.ru
Вальтер Александр Викторович,Кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения», Юргинскийтехнологический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Юрга, Кемеровская обл.avwalter@tpu.ru
Исследование точности изготовления крупногабаритных корпусоввращенияопытного образца геохода
Аннотация.В статье приведены результаты исследования опытного образца геохода –нового вида щитовых проходческих агрегатов, предназначенных для возведения подземных сооружений и проходки выработок различного назначения. Приведены результаты координатного контроля и статистического анализа крупногабаритных корпусов вращения геохода. Созданы математические модели действительных поверхностей корпусов и выявлены факторы, влияющие на их геометрическую точность.Ключевые слова.Геоход, геотехнология, точность, крупногабаритные сегментные изделия, координатный контроль
1. ВведениеФормирование подземного пространства и освоение недр Земли являются важнейшими задачами современной жизнедеятельности человечества иего будущего [1].Постоянный рост дефицита городских территорийвызывает создание новой подземной инфраструктуры, являющейсяэффективнымсредствомрешения транспортных, территориальных и экологических проблем растущих мегаполисов [2]. Уже в настоящее время планомерное и комплексное использование подземного пространства рассматривается в качестве безальтернативного варианта развития городов[3]. При этом отмечается, что необходимым условием реализации данной стратегии развития является разработка новых эффективных способов строительства подземных сооружений и разработкиновых видов горнопроходческого оборудования.Речь идет о принципиально новых технологиях создания горных выработок и соответствующем оборудовании, образцамикоторых являются геоходная технология и геоход [4]. Геоход –аппарат, предназначенныйдля проходки горных выработок различного назначения и расположения в подземном пространстве и движущийся в породном массиве с использованием геосреды.Внедрение геоходной технологии и геоходов подразумевает революционный подход к инновационному развитию [5]горных предприятий и предприятий горного машиностроения.На рис. 1 приведен общий вид геохода. Движение геохода осуществляется за счет воздействия внешнего движителя, имеющего форму винтовой лопасти, на окружающий массив породы. Лопасти установлены на головной секции, которая вращается относительно стабилизирующей секции. Элементы противовращения, взаимодействуя с геосредой, компенсируют крутящий момент. Исполнительный орган, расположенный во фронтальной части головной секции, разрушает породу, формируявыработку круглого сечения. Отбитая горная масса удаляется через пространство внутри корпуса геохода. Таким образом, геоход движется за счет «ввинчивания» в геосреду. Данный принцип действия позволяет в 4 раза повысить темпы проходки в сравнении с ныне распространенными технологиями, выполнять выработки любого пространственного расположения, снизить металлоемкость горнопроходческого оборудования [6]. Геоходы могут применяться для возведения подземных сооруженийипроходки выработок различного назначения, втом числе и при горноспасательных работах [7].
Рис. 1.Общий вид геохода
С 2012 г. Юргинский технологический институт реализует комплексный проект по постановкена производство нового вида щитового проходческого агрегата –геохода [1]. В рамках данного проекта был проведен значительный объем научных исследований, была разработана конструкция геохода и изготовлен опытный образец (рис. 2). Одним из важнейших направлений исследований в данном проекте является синтез и обоснование технологических решений в процессах производства систем и узлов геохода с целью обеспечения качества продукции как ключевого фактора обеспечения ее конкурентоспособности [8].Как отмечено в работе [9], геоход, как принципиально новый вид машин, обладает комплексом специфичных конструктивных и технологических признаков, что приводит к необходимости создания и обоснования новых производственных технологий. Практически, производство каждой из систем ставит актуальные научнопрактические задачи, однако их значимость может быть различной.
Рис. 2.Опытный образец геохода
На рис. 3 показаны доли в себестоимости и трудоемкости изготовления различных узлов и систем геохода(по материалам [10]). Как следует из диаграмм, в производственном плане наиболее важными элементами геохода являются крупногабаритные корпуса вращения (рис. 4), к которым относятся: головная секция, стабилизирующая секция, корпус и внешний корпус модуля сопряжения, а также ротор погрузочной системы.Их суммарная доляв себестоимости составляет 43%, а доля в трудоемкости –60%.Таким образом, повышение качества данной группы изделий и эффективности технологий их производства является важнейшей научнопрактической задачей.
Рис. 3.Долив себестоимости и трудоемкости изготовления различных узлов и систем геохода
а)
б)
в)
г)
д)Рис. 4.Крупногабаритные корпуса вращениягеохода: а) головная секция; б) стабилизирующая секция; в) корпус модуля сопряжения; г) внешний корпус модуля сопряжения; д) ротор погрузочной системы
Объединение перечисленных изделий в единую группу обусловлено общностью их конструктивных и технологических признаков: корпуса имеют кольцевую форму, корпуса имеют большие габариты (диаметр от 2940 мм до 3200 мм); корпуса являются сегментными, т. е. состоят из отдельных сегментов, соединенных в общее кольцо по замкам болтовыми соединениями. Эта общность определяет необходимость разработки общих подходов к созданию и обоснованию технологий их изготовления.Как отмечено в работе [11], важнейшей проблемой при изготовлениисегментных изделий является необходимость обеспечения требуемой геометрической точности в процессе их сборки. Точность поверхностей геохода определяет ряд эксплуатационных характеристик геохода, таких как износостойкость [12]и энергоэффективность, а также обуславливает величину припусков на механическую обработку корпусов. Недостаточная теоретическая и экспериментальная проработка данной проблемы приводила к неопределенностям в обосновании применения тех или иных технологических решений при опытном производстве геохода. Так, в работе [13]показано, что возникающие в процессе изготовления корпуса модуля сопряжения геометрические погрешности, в опытном производстве привели к возникновению брака(рис. 5), устранение которого потребовало дополнительных затрат.Механизм возникновения погрешностей в крупногабаритных сегментных изделиях описан в работах [11; 14–16]. Математическая модель формирования погрешностей в корпусах геохода представлена в работе [17]. Модель показывает, что погрешности формируются в результате неточностей изготовления сегментов корпусов и погрешностей их взаимного расположения при сборке. В то же время в некоторых работах показано, что значимую роль в формировании погрешностей могут играть и другие факторы, такие как деформации в результатепроцессов сварки [18; 19]. Все это показывает важность определения обоснованности моделей и значимости факторов, которое может быть выполнено только на основе фактических данных о геометрии исследуемых объектов.
Рис. 5.Нехватка припуска при токарной обработке корпуса модуля сопряжения вследствие геометрических погрешностей изделия[13]
На основании выше изложенного задача представленного исследования сформулирована в следующем виде: установить фактическую точность крупногабаритных корпусов вращения геохода, оценить обоснованность математической модели формирования погрешностейи выявить факторы, значимо влияющие на геометрическую точность корпусов.
2. Методика исследованияИсследование проводилось на основе координатного контроля корпусов опытного образца геохода.Координатный контроль выполнялся координатноизмерительной машиной(КИМ)типа «искусственная рука» FAROмодели ArmEdge9. Технические характеристики КИМ приведены в табл. 1.В процессе исследования контролировалась геометрия наружных поверхностей внешнего корпуса модуля сопряжения и стабилизирующей секции.В связи с ограничениями размеров рабочей зоны КИМ контроль корпусов производился с четырех установок машины.В результатеконтроля были получены облака точек на действительных поверхностях корпусов (рис. 6), координаты которых в дальнейшем использовались для анализа в разработанномпрограммном обеспечении [20].Таблица 1Технические характеристики координатноизмерительной машины
Наименование характеристикиЗначениеРазмер рабочей зоны2700ммПогрешность линейных измерений (по ISO103602:2009)±0,041ммПовторяемость(по ISO 103602:2009)0,029ммЧисло степеней свободы7
Дальнейшее выявление фактической точности поверхностей, оценка обоснованности математической модели формирования погрешности и выявления значимых факторов производилось путем создания регрессионных моделей поверхностей на основе экспериментальных данных и статистического анализа рядов данных.
а)
б)Рис. 6.Облака точек по результатам координатного контроля:
а) стабилизирующейсекции; б) внешнегокорпусамодуля сопряжения
Былипостроенырегрессионные модели цилиндрических поверхностейкорпусов в целом(рис. 7а,в)и поверхности отдельных сегментов (рис. 7б,г).
а)
б)
в)
г)
Рис. 7.Аппроксимирующие поверхности: а) общий цилиндр стабилизирующей секции; б) сегменты стабилизирующей секции; в) общий цилиндр внешнего корпуса модуля сопряжения; г) сегменты внешнего корпуса модуля сопряжения
Построение выполнялось методом Гаусса с использованием следующего уравнения:(ayzi+ az(y0–yi))2+ ((az(x0–xi) + axzi)2+…+ (ax(y0–yi) –ay(x0–xi))2–(r–εi)2= 0;где xi, yi, zi–координатыаппроксимируемых точек; ax, ay, x0, y0, r–неизвестныекоэффициенты регрессии: ax, ay, az–координатынаправляющего вектора оси аппроксимирующего цилиндра; x0, y0–координаты точки, через которую проходит ось аппроксимирующего цилиндра; r–радиус аппроксимирующегоцилиндра; εi–остаток регрессионноймодели.С учетом того, что направляющий вектор оси цилиндра принимался единичным, при расчетах использовалось дополнительное уравнение:ax2+ ay2+az2=1.Для наглядности результатов моделирования в дальнейшем координаты точек контроля переводились в цилиндрические системы координат θρZ(θ –угловая координата, ρ –расстояние (радиус) от оси Zдо точки), связанные с осями аппроксимирующих цилиндрических поверхностей.Дальнейшие исследования проводились путем анализа точности созданных моделей поверхностей и анализа их адекватности. Определялись стандартные статистические характеристики отклонений точек контроля от поверхностей и производился регрессионный анализ моделей, путем проверки рядов остатков моделей. Ряды остатков исследовались на наличие корреляции, соответствие закону нормального распределения, отсутствие тренда и отсутствие автокорреляции. Соответствие закону нормального распределения проводилось по критерию ХаркеБера, отсутствие тренда определялось по критерию поворотных точек, отсутствие автокорреляции –по критерию Дарбина –Уотсона.
3. Результаты и обсуждениеХарактеристики полученных моделей цилиндрических поверхностей корпусов в целом приведены в табл. 2(уровень значимости при статистических расчетах принят равным 0,05).Как следует из результатов расчетов, среднее значение радиуса контролируемых поверхностей является близким к номинальному значению 1600 мм. Абсолютная погрешность лежит вблизи предельно допустимого значения (10 мм). Внешний корпус модуля сопряжения изготовлен несколько более точным, чем стабилизирующая секция, что может быть объяснено его меньшими габаритами повысоте.Как показывает анализ рядов остатков (рис. 8) существует систематическая погрешность точек, полученных координатным контролем, от созданных моделей поверхностей корпусов в целом. Это подтверждается тем, что обнаружена значимая корреляция радиусов точек ρот угловой координаты θ и координаты высоты Z. Анализ показал, что ряды остатков не соответствуют закону нормального распределения, в одном из рядов обнаруживается тренд, а также имеется положительная автокорреляция во всех рядах остатков.В качестве наиболее возможной причины возникновения систематических погрешностей следует рассматривать погрешности, связанные с неточностями изготовления сегментов и их взаимного расположения, описываемых в модели, приведенной в работе [17]. В таком случаеотклонения от моделей отдельных сегментов должны иметь меньшие значения и демонстрировать меньшую систематичность.В табл. 3 и табл. 4 приведены характеристики цилиндрических поверхностей сегментов стабилизирующей секции и внешнего корпуса модуля сопряжения соответственно. Радиусы отдельных секторов имеют значительный разброс, в одном случае выходя за пределы, установленные предельным отклонением в 10 мм (1610,18 мм), но, как отмечалось выше, в целом корпуса соответствуют установленным требованиям точности. Это подтверждает вывод, сделанный в работе [21]о том, что общая точность корпуса за счет определённых приемов при сборке может повышаться в сравнении с точностью отдельных сегментов. Таблица 2Характеристики цилиндрических поверхностей корпусов в целом
Наименование характеристикиСтабилизирующая секцияВнешний корпусРадиус аппроксимирующего цилиндра, мм1595,251598,23Стандартное отклонение, мм2,101,72Абсолютная погрешность, мм9,759,48Корреляция ρ по координате θКоэффициент0,1680,179Вывод о значимостиЗначимаКорреляция ρ по координате ZКоэффициент0,1260,750Вывод о значимостиЗначимаСоответствие ряда остатковнормальному распределениюСтатистика ХаркеБера8,9911,42Критическое значение5,795,78ВыводНе соответствуетОтсутствие тренда в ряду остатков по координате θЧисло поворотных точек211173Критическое число198,5191,5ВыводОтсутствуетПрисутствуетОтсутствие тренда в ряду остатков по координате ZЧисло поворотных точек204204Критическое число198,5191,5ВыводОтсутствуетОтсутствие автокорреляции в ряду остатков по координате ZСтатистика Дарбина Уотсона0,651,42ВыводПоложительная автокорреляцияОтсутствие автокорреляции в ряду остатков по координате ZСтатистика Дарбина Уотсона1,841,58ВыводПоложительная автокорреляция
а)
б)Рис. 8.Ряды остатков моделей общих цилиндров: а) стабилизирующая секция; б)внешний корпуса модуля сопряженияТаблица 3
Характеристики цилиндрических поверхностей сегментов стабилизирующей секцииНаименование характеристикиНомер сегмента1234Радиус аппроксимирующего цилиндра, мм1595,021591,891604,451610,18Стандартное отклонение, мм1,421,111,330,99Абсолютная погрешность, мм6,805,956,564,64Корреляция ρ по координате θКоэффициент0,4560,7380,4230,133Вывод о значимостиЗначимаНетКорреляция ρ по координате ZКоэффициент0,2690,3680,7070,263Вывод о значимостиЗначимаСоответствие ряда остатков нормальному распределениюСтатистика ХаркеБера3,735,000,876,10Критическое значение5,315,315,245,39ВыводСоответствуетНетОтсутствие тренда в ряду остатков по координате θЧисло поворотных точек51514457Критическое число44,744,739,151,5ВыводОтсутствуетОтсутствие тренда в ряду остатков по координате ZЧисло поворотных точек57524262Критическое число44,744,739,151,5ВыводОтсутствуетОтсутствие автокорреляции в ряду остатков по координате θСтатистика Дарбина Уотсона0,770,980,721,18ВыводПоложительная автокорреляцияОтсутствие автокорреляции в ряду остатков по координате ZСтатистика Дарбина Уотсона1,971,982,021,92ВыводОтсутствует
Таблица 4 Характеристики цилиндрических поверхностей сегментов внешнего корпусаНаименование характеристикиНомер сегмента1234Радиус аппроксимирующего цилиндра, мм1601,931601,441597,131602,06Стандартное отклонение, мм0,920,940,700,68Абсолютная погрешность, мм4,244,393,783,55Корреляция ρ по координате θКоэффициент0,1520,620,1130,103Вывод о значимостиНе значимаЗначимаНе значимаКорреляция ρ по координате ZКоэффициент0,8020,8000,9650,953Вывод о значимостиЗначимаСоответствие ряда остатков нормальному распределениюСтатистика ХаркеБера1,982,100,790,106Критическое значение5,385,175,335,27ВыводСоответствуетОтсутствие тренда в ряду остатков по координате θЧисло поворотных точек53395147Критическое число50,934,846,640,9ВыводОтсутствуетОтсутствие тренда в ряду остатков по координате ZЧисло поворотных точек56466146Критическое число50,934,846,640,9ВыводОтсутствуетОтсутствие автокорреляции в ряду остатков по координате θСтатистика Дарбина Уотсона1,211,111,241,99ВыводПоложительная автокорреляцияОтсутствуетОтсутствие автокорреляции в ряду остатков по координате ZСтатистика Дарбина Уотсона1,001,721,251,19ВыводПоложительная автокорреляцияОтсутствуетПоложительная автокорреляция
Для моделей отдельных секторов наблюдается меньшая систематичность ряда остатков. Во всех рядах остатков отсутствует тренд. Все ряды, кроме ряда для сектора №4 стабилизирующей секции, соответствуют закону нормального распределения. Для большей части рядов отсутствует автокорреляция.В то же время, в большинстве случаев наблюдается значимая корреляция радиуса точек от их координат. В целом, по результатам анализа следует констатировать, что отклонения от моделей сегментов являются систематическими. Это означает, что помимо погрешностей изготовления отдельных сегментов и погрешностей их взаимного расположения существуют другие значимые факторы формирования погрешностей.На рис. 9 и рис. 10 представлены остатки моделей отдельных сегментов.
Рис. 9. Остатки моделей поверхностей сегментов стабилизирующей секции
Рис. 10. Остатки моделей поверхностей сегментов внешнего корпуса
В сущности,величина остатков ε показывает деформации поверхностей сегментов. Графики на рис. 9 и рис. 10 отчетливо демонстрируют характер деформаций. Выраженные полосы на графиках соответствуют положению на сегментах мощных ребер жесткости. В целом отклонения можно охарактеризовать следующим образом: в местах сегментов с наименьшей жесткостью (между ребрами, на удалении от фланцев, в местах замков) наблюдаются отрицательные значения отклонений. Причиной таких деформаций являются остаточные напряжения, возникающие в результате процессов сварки корпусов. Подтверждением этого является локализация мест с максимальными градиентами деформаций вблизи мест расположения мощных сварных швов.
4. Выводы
На основе анализа литературных источников и интерпретации количественных данных о техникоэкономических показателях технологий производства систем и узлов геохода показана значимостьсовершенствования технологий изготовлениякрупногабаритных корпусов вращения геохода.В силу наличия значительного количества подходов к моделированию процессов формирования погрешностей крупногабаритных сегментных корпусов, в процедурах анализа их геометрической точности необходимо опираться на фактические данные, полученные при контроле реальных образцов изделий.Анализ данных координатного контроля стабилизирующей секции и внешнего корпуса модуля сопряжения показал, что в процессе их производства основными факторами формирования погрешностей являются погрешности изготовлениясегментов, отклонения их взаимного расположения при сборке и сварочные деформации.Геометрическая точность крупногабаритных корпусов вращения может быть увеличена за счет повышения качества исходных комплектующих, совершенствования сборочных наладок и оптимизации конструкции изделия с точки зрения обеспечения ее равномерной жесткости.
Ссылки на источники1.Аксенов В.В., Хорешок А.А., Ефременков А.Б., Казанцев А.А., Бегляков В.Ю., Вальтер А.В. Создание нового инструментария для формирования подземного пространства / В.В. Аксенов [и др.] // Горная техника. –2015. –№1(15). –С.2426.2.Левченко А.Е., Лернер В.Г., Петренко Е.В., Петренко И.Е. Организация освоения подземного пространства. Свершения и надежды. –М.: ТИМР, 2002. –406с.3.КартозияБ.А. Освоение подземного пространства крупных городов. Новые тенденции // Горный информационноаналитический бюллетень (научнотехнический журнал). –2015. –№S1. –С.615630.4.Аксенов В.В., Хорешок А.А., Адамков А.В., Ермаков А.Н. Обоснование необходимости разработки новой технологии строительства подземных выработок // Вестник Кузбасского государственного технического университета. –2015. –№4 (110). –С.2126.5.Галимджанов Р. Ш. Факторы инновационного развития современного промышленного предприятия в условиях глобализации // Концепт. –2014. –№ 04 (апрель). –ART14104. –0,4 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2014/14104.htm. –Гос. рег. Эл № ФС 7749965. –ISSN 2304120X. –[Дата обращения 15.02.2016].6.Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Садовец В.Ю., Резанова Е.В. Создание инновационного инструментария для формирования подземного пространства // Вестник Кузбасского государственного технического университета. –2010. –№1. –С.4247.7.Аксенов В.В., Тимофеев В.Ю., Сапожкова А.В., Горбунов В.Ф. К вопросу о создании новой технологии проведения аварийноспасательных выработок при ликвидации техногенных катастроф // Горный информационный аналитический бюллетень (научнотехнический журнал) Mining informational and analytical bulletin (Scientific and technical journal). –2011. –№9. –С.6067.8.Данилова Н. Л. Ключевые факторы успеха деятельности машиностроительного предприятия // Концепт. –2016. –№ 01 (январь). –ART 16014. –0,6 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2016/16014.htm. –ISSN2304120X. –[Дата обращения 16.02.2016].9.АксеновВ.В., Вальтер А.В.Специфика геохода как предмета производства // Научное обозрение. –2014. –Т.8, Ч. 3. –С.945950.10.Aksenov V.V., Walter A.V., Gordeyev A.A., Kosovets A.V. Classification of geokhod units and systems based on product cost analysis and estimation for a prototype model production // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. –2015. –Vol.91. –pp.012088.11.LowthS., Axinte D.A.An assessment of “variation conscious” precision fixturing methodologies for the control of circularity within large multisegment annular assemblies // Precision Engineering. –2014. –Vol.38. –pp.379390.12.ГалееваА.А., Ивкин А.Н.Влияние запаса износостойкости оболочки головной секции геохода намассу агрегата / А.А. Галеева, А.Н. Ивкин // Труды V Всероссийской научнопрактической конференции для студентов и учащейся молодежи «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении». –Томск: Издво ТПУ, 2012. –С.113115.13.ВальтерА.В., Аксенов В.В.Варианты обеспечения точности оболочек и собираемости корпусов геохода // Механики XXI веку. –2015. –№14. –С.8992.14.MemonM., Hussain T., Memon Z.A.L.I.Minimizing Assembly Errors by Selecting Optimum Assembly Sequence in the Assembly of a Rigid Circular Structure // Mehran University Research Journal of Engineering & Technology. –2012. –Vol.31. –Iss.4. –pp.743754.15.Hussain T., Yang Z., Popov A.A., McWilliam S. Straightbuild assembly optimization: A method to minimize stagebystage eccentricity error in the assembly of axisymmetric rigid components (twodimensional case study) // Journal of Manufacturing Science and Engineering, Transactions of the ASME. –2011. –Vol.133. –Iss.3. –Article number 031014.16.ВальтерА.В., Аксенов В.В.Определение отклонений геометрической формы оболочек корпусных изделий геохода // Актуальные проблемы современного машиностроения: сборник трудов Международной научнопрактической конференции. –Томск: ТПУ, 2014. –С.165170.17.WalterA.V., Aksenov V.V.Determining deviations in geometry of the geokhod shells // Applied Mechanics and Materials. –2015. –Vol.770. –pp.439444.18.DengD., Murakawa H., Liang W.Numerical simulation of welding distortion in large structures // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. –2007. –Vol.196. –Iss.4548. –pp.46134627.19.ChenZ., Chen Z., Shenoi R.A.Influence of welding sequence on welding deformation and residual stress of a stiffened plate structure // Ocean Engineering. –2015. –Vol.106. –pp.271280.20.ВальтерА.В., Аксенов В.В., Чазов П.А.Математическое обеспечение обработки данных координатного контроля оболочки геохода // Технологии и материалы. –2015. –№3. –С.49.21.АксеновВ.В., Вальтер А.В., Бегляков В.Ю.Обеспечение геометрической точности оболочки при сборке секций геохода // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). –2014. –№4 (65). –С.1928.
Ивкин Алексей Николаевич,Студент гр. 10300, Юргинскийтехнологический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Юрга, Кемеровская обл.ran1092@mail.ru
Вальтер Александр Викторович,Кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения», Юргинскийтехнологический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Юрга, Кемеровская обл.avwalter@tpu.ru
Исследование точности изготовления крупногабаритных корпусоввращенияопытного образца геохода
Аннотация.В статье приведены результаты исследования опытного образца геохода –нового вида щитовых проходческих агрегатов, предназначенных для возведения подземных сооружений и проходки выработок различного назначения. Приведены результаты координатного контроля и статистического анализа крупногабаритных корпусов вращения геохода. Созданы математические модели действительных поверхностей корпусов и выявлены факторы, влияющие на их геометрическую точность.Ключевые слова.Геоход, геотехнология, точность, крупногабаритные сегментные изделия, координатный контроль
1. ВведениеФормирование подземного пространства и освоение недр Земли являются важнейшими задачами современной жизнедеятельности человечества иего будущего [1].Постоянный рост дефицита городских территорийвызывает создание новой подземной инфраструктуры, являющейсяэффективнымсредствомрешения транспортных, территориальных и экологических проблем растущих мегаполисов [2]. Уже в настоящее время планомерное и комплексное использование подземного пространства рассматривается в качестве безальтернативного варианта развития городов[3]. При этом отмечается, что необходимым условием реализации данной стратегии развития является разработка новых эффективных способов строительства подземных сооружений и разработкиновых видов горнопроходческого оборудования.Речь идет о принципиально новых технологиях создания горных выработок и соответствующем оборудовании, образцамикоторых являются геоходная технология и геоход [4]. Геоход –аппарат, предназначенныйдля проходки горных выработок различного назначения и расположения в подземном пространстве и движущийся в породном массиве с использованием геосреды.Внедрение геоходной технологии и геоходов подразумевает революционный подход к инновационному развитию [5]горных предприятий и предприятий горного машиностроения.На рис. 1 приведен общий вид геохода. Движение геохода осуществляется за счет воздействия внешнего движителя, имеющего форму винтовой лопасти, на окружающий массив породы. Лопасти установлены на головной секции, которая вращается относительно стабилизирующей секции. Элементы противовращения, взаимодействуя с геосредой, компенсируют крутящий момент. Исполнительный орган, расположенный во фронтальной части головной секции, разрушает породу, формируявыработку круглого сечения. Отбитая горная масса удаляется через пространство внутри корпуса геохода. Таким образом, геоход движется за счет «ввинчивания» в геосреду. Данный принцип действия позволяет в 4 раза повысить темпы проходки в сравнении с ныне распространенными технологиями, выполнять выработки любого пространственного расположения, снизить металлоемкость горнопроходческого оборудования [6]. Геоходы могут применяться для возведения подземных сооруженийипроходки выработок различного назначения, втом числе и при горноспасательных работах [7].
Рис. 1.Общий вид геохода
С 2012 г. Юргинский технологический институт реализует комплексный проект по постановкена производство нового вида щитового проходческого агрегата –геохода [1]. В рамках данного проекта был проведен значительный объем научных исследований, была разработана конструкция геохода и изготовлен опытный образец (рис. 2). Одним из важнейших направлений исследований в данном проекте является синтез и обоснование технологических решений в процессах производства систем и узлов геохода с целью обеспечения качества продукции как ключевого фактора обеспечения ее конкурентоспособности [8].Как отмечено в работе [9], геоход, как принципиально новый вид машин, обладает комплексом специфичных конструктивных и технологических признаков, что приводит к необходимости создания и обоснования новых производственных технологий. Практически, производство каждой из систем ставит актуальные научнопрактические задачи, однако их значимость может быть различной.
Рис. 2.Опытный образец геохода
На рис. 3 показаны доли в себестоимости и трудоемкости изготовления различных узлов и систем геохода(по материалам [10]). Как следует из диаграмм, в производственном плане наиболее важными элементами геохода являются крупногабаритные корпуса вращения (рис. 4), к которым относятся: головная секция, стабилизирующая секция, корпус и внешний корпус модуля сопряжения, а также ротор погрузочной системы.Их суммарная доляв себестоимости составляет 43%, а доля в трудоемкости –60%.Таким образом, повышение качества данной группы изделий и эффективности технологий их производства является важнейшей научнопрактической задачей.
Рис. 3.Долив себестоимости и трудоемкости изготовления различных узлов и систем геохода
а)
б)
в)
г)
д)Рис. 4.Крупногабаритные корпуса вращениягеохода: а) головная секция; б) стабилизирующая секция; в) корпус модуля сопряжения; г) внешний корпус модуля сопряжения; д) ротор погрузочной системы
Объединение перечисленных изделий в единую группу обусловлено общностью их конструктивных и технологических признаков: корпуса имеют кольцевую форму, корпуса имеют большие габариты (диаметр от 2940 мм до 3200 мм); корпуса являются сегментными, т. е. состоят из отдельных сегментов, соединенных в общее кольцо по замкам болтовыми соединениями. Эта общность определяет необходимость разработки общих подходов к созданию и обоснованию технологий их изготовления.Как отмечено в работе [11], важнейшей проблемой при изготовлениисегментных изделий является необходимость обеспечения требуемой геометрической точности в процессе их сборки. Точность поверхностей геохода определяет ряд эксплуатационных характеристик геохода, таких как износостойкость [12]и энергоэффективность, а также обуславливает величину припусков на механическую обработку корпусов. Недостаточная теоретическая и экспериментальная проработка данной проблемы приводила к неопределенностям в обосновании применения тех или иных технологических решений при опытном производстве геохода. Так, в работе [13]показано, что возникающие в процессе изготовления корпуса модуля сопряжения геометрические погрешности, в опытном производстве привели к возникновению брака(рис. 5), устранение которого потребовало дополнительных затрат.Механизм возникновения погрешностей в крупногабаритных сегментных изделиях описан в работах [11; 14–16]. Математическая модель формирования погрешностей в корпусах геохода представлена в работе [17]. Модель показывает, что погрешности формируются в результате неточностей изготовления сегментов корпусов и погрешностей их взаимного расположения при сборке. В то же время в некоторых работах показано, что значимую роль в формировании погрешностей могут играть и другие факторы, такие как деформации в результатепроцессов сварки [18; 19]. Все это показывает важность определения обоснованности моделей и значимости факторов, которое может быть выполнено только на основе фактических данных о геометрии исследуемых объектов.
Рис. 5.Нехватка припуска при токарной обработке корпуса модуля сопряжения вследствие геометрических погрешностей изделия[13]
На основании выше изложенного задача представленного исследования сформулирована в следующем виде: установить фактическую точность крупногабаритных корпусов вращения геохода, оценить обоснованность математической модели формирования погрешностейи выявить факторы, значимо влияющие на геометрическую точность корпусов.
2. Методика исследованияИсследование проводилось на основе координатного контроля корпусов опытного образца геохода.Координатный контроль выполнялся координатноизмерительной машиной(КИМ)типа «искусственная рука» FAROмодели ArmEdge9. Технические характеристики КИМ приведены в табл. 1.В процессе исследования контролировалась геометрия наружных поверхностей внешнего корпуса модуля сопряжения и стабилизирующей секции.В связи с ограничениями размеров рабочей зоны КИМ контроль корпусов производился с четырех установок машины.В результатеконтроля были получены облака точек на действительных поверхностях корпусов (рис. 6), координаты которых в дальнейшем использовались для анализа в разработанномпрограммном обеспечении [20].Таблица 1Технические характеристики координатноизмерительной машины
Наименование характеристикиЗначениеРазмер рабочей зоны2700ммПогрешность линейных измерений (по ISO103602:2009)±0,041ммПовторяемость(по ISO 103602:2009)0,029ммЧисло степеней свободы7
Дальнейшее выявление фактической точности поверхностей, оценка обоснованности математической модели формирования погрешности и выявления значимых факторов производилось путем создания регрессионных моделей поверхностей на основе экспериментальных данных и статистического анализа рядов данных.
а)
б)Рис. 6.Облака точек по результатам координатного контроля:
а) стабилизирующейсекции; б) внешнегокорпусамодуля сопряжения
Былипостроенырегрессионные модели цилиндрических поверхностейкорпусов в целом(рис. 7а,в)и поверхности отдельных сегментов (рис. 7б,г).
а)
б)
в)
г)
Рис. 7.Аппроксимирующие поверхности: а) общий цилиндр стабилизирующей секции; б) сегменты стабилизирующей секции; в) общий цилиндр внешнего корпуса модуля сопряжения; г) сегменты внешнего корпуса модуля сопряжения
Построение выполнялось методом Гаусса с использованием следующего уравнения:(ayzi+ az(y0–yi))2+ ((az(x0–xi) + axzi)2+…+ (ax(y0–yi) –ay(x0–xi))2–(r–εi)2= 0;где xi, yi, zi–координатыаппроксимируемых точек; ax, ay, x0, y0, r–неизвестныекоэффициенты регрессии: ax, ay, az–координатынаправляющего вектора оси аппроксимирующего цилиндра; x0, y0–координаты точки, через которую проходит ось аппроксимирующего цилиндра; r–радиус аппроксимирующегоцилиндра; εi–остаток регрессионноймодели.С учетом того, что направляющий вектор оси цилиндра принимался единичным, при расчетах использовалось дополнительное уравнение:ax2+ ay2+az2=1.Для наглядности результатов моделирования в дальнейшем координаты точек контроля переводились в цилиндрические системы координат θρZ(θ –угловая координата, ρ –расстояние (радиус) от оси Zдо точки), связанные с осями аппроксимирующих цилиндрических поверхностей.Дальнейшие исследования проводились путем анализа точности созданных моделей поверхностей и анализа их адекватности. Определялись стандартные статистические характеристики отклонений точек контроля от поверхностей и производился регрессионный анализ моделей, путем проверки рядов остатков моделей. Ряды остатков исследовались на наличие корреляции, соответствие закону нормального распределения, отсутствие тренда и отсутствие автокорреляции. Соответствие закону нормального распределения проводилось по критерию ХаркеБера, отсутствие тренда определялось по критерию поворотных точек, отсутствие автокорреляции –по критерию Дарбина –Уотсона.
3. Результаты и обсуждениеХарактеристики полученных моделей цилиндрических поверхностей корпусов в целом приведены в табл. 2(уровень значимости при статистических расчетах принят равным 0,05).Как следует из результатов расчетов, среднее значение радиуса контролируемых поверхностей является близким к номинальному значению 1600 мм. Абсолютная погрешность лежит вблизи предельно допустимого значения (10 мм). Внешний корпус модуля сопряжения изготовлен несколько более точным, чем стабилизирующая секция, что может быть объяснено его меньшими габаритами повысоте.Как показывает анализ рядов остатков (рис. 8) существует систематическая погрешность точек, полученных координатным контролем, от созданных моделей поверхностей корпусов в целом. Это подтверждается тем, что обнаружена значимая корреляция радиусов точек ρот угловой координаты θ и координаты высоты Z. Анализ показал, что ряды остатков не соответствуют закону нормального распределения, в одном из рядов обнаруживается тренд, а также имеется положительная автокорреляция во всех рядах остатков.В качестве наиболее возможной причины возникновения систематических погрешностей следует рассматривать погрешности, связанные с неточностями изготовления сегментов и их взаимного расположения, описываемых в модели, приведенной в работе [17]. В таком случаеотклонения от моделей отдельных сегментов должны иметь меньшие значения и демонстрировать меньшую систематичность.В табл. 3 и табл. 4 приведены характеристики цилиндрических поверхностей сегментов стабилизирующей секции и внешнего корпуса модуля сопряжения соответственно. Радиусы отдельных секторов имеют значительный разброс, в одном случае выходя за пределы, установленные предельным отклонением в 10 мм (1610,18 мм), но, как отмечалось выше, в целом корпуса соответствуют установленным требованиям точности. Это подтверждает вывод, сделанный в работе [21]о том, что общая точность корпуса за счет определённых приемов при сборке может повышаться в сравнении с точностью отдельных сегментов. Таблица 2Характеристики цилиндрических поверхностей корпусов в целом
Наименование характеристикиСтабилизирующая секцияВнешний корпусРадиус аппроксимирующего цилиндра, мм1595,251598,23Стандартное отклонение, мм2,101,72Абсолютная погрешность, мм9,759,48Корреляция ρ по координате θКоэффициент0,1680,179Вывод о значимостиЗначимаКорреляция ρ по координате ZКоэффициент0,1260,750Вывод о значимостиЗначимаСоответствие ряда остатковнормальному распределениюСтатистика ХаркеБера8,9911,42Критическое значение5,795,78ВыводНе соответствуетОтсутствие тренда в ряду остатков по координате θЧисло поворотных точек211173Критическое число198,5191,5ВыводОтсутствуетПрисутствуетОтсутствие тренда в ряду остатков по координате ZЧисло поворотных точек204204Критическое число198,5191,5ВыводОтсутствуетОтсутствие автокорреляции в ряду остатков по координате ZСтатистика Дарбина Уотсона0,651,42ВыводПоложительная автокорреляцияОтсутствие автокорреляции в ряду остатков по координате ZСтатистика Дарбина Уотсона1,841,58ВыводПоложительная автокорреляция
а)
б)Рис. 8.Ряды остатков моделей общих цилиндров: а) стабилизирующая секция; б)внешний корпуса модуля сопряженияТаблица 3
Характеристики цилиндрических поверхностей сегментов стабилизирующей секцииНаименование характеристикиНомер сегмента1234Радиус аппроксимирующего цилиндра, мм1595,021591,891604,451610,18Стандартное отклонение, мм1,421,111,330,99Абсолютная погрешность, мм6,805,956,564,64Корреляция ρ по координате θКоэффициент0,4560,7380,4230,133Вывод о значимостиЗначимаНетКорреляция ρ по координате ZКоэффициент0,2690,3680,7070,263Вывод о значимостиЗначимаСоответствие ряда остатков нормальному распределениюСтатистика ХаркеБера3,735,000,876,10Критическое значение5,315,315,245,39ВыводСоответствуетНетОтсутствие тренда в ряду остатков по координате θЧисло поворотных точек51514457Критическое число44,744,739,151,5ВыводОтсутствуетОтсутствие тренда в ряду остатков по координате ZЧисло поворотных точек57524262Критическое число44,744,739,151,5ВыводОтсутствуетОтсутствие автокорреляции в ряду остатков по координате θСтатистика Дарбина Уотсона0,770,980,721,18ВыводПоложительная автокорреляцияОтсутствие автокорреляции в ряду остатков по координате ZСтатистика Дарбина Уотсона1,971,982,021,92ВыводОтсутствует
Таблица 4 Характеристики цилиндрических поверхностей сегментов внешнего корпусаНаименование характеристикиНомер сегмента1234Радиус аппроксимирующего цилиндра, мм1601,931601,441597,131602,06Стандартное отклонение, мм0,920,940,700,68Абсолютная погрешность, мм4,244,393,783,55Корреляция ρ по координате θКоэффициент0,1520,620,1130,103Вывод о значимостиНе значимаЗначимаНе значимаКорреляция ρ по координате ZКоэффициент0,8020,8000,9650,953Вывод о значимостиЗначимаСоответствие ряда остатков нормальному распределениюСтатистика ХаркеБера1,982,100,790,106Критическое значение5,385,175,335,27ВыводСоответствуетОтсутствие тренда в ряду остатков по координате θЧисло поворотных точек53395147Критическое число50,934,846,640,9ВыводОтсутствуетОтсутствие тренда в ряду остатков по координате ZЧисло поворотных точек56466146Критическое число50,934,846,640,9ВыводОтсутствуетОтсутствие автокорреляции в ряду остатков по координате θСтатистика Дарбина Уотсона1,211,111,241,99ВыводПоложительная автокорреляцияОтсутствуетОтсутствие автокорреляции в ряду остатков по координате ZСтатистика Дарбина Уотсона1,001,721,251,19ВыводПоложительная автокорреляцияОтсутствуетПоложительная автокорреляция
Для моделей отдельных секторов наблюдается меньшая систематичность ряда остатков. Во всех рядах остатков отсутствует тренд. Все ряды, кроме ряда для сектора №4 стабилизирующей секции, соответствуют закону нормального распределения. Для большей части рядов отсутствует автокорреляция.В то же время, в большинстве случаев наблюдается значимая корреляция радиуса точек от их координат. В целом, по результатам анализа следует констатировать, что отклонения от моделей сегментов являются систематическими. Это означает, что помимо погрешностей изготовления отдельных сегментов и погрешностей их взаимного расположения существуют другие значимые факторы формирования погрешностей.На рис. 9 и рис. 10 представлены остатки моделей отдельных сегментов.
Рис. 9. Остатки моделей поверхностей сегментов стабилизирующей секции
Рис. 10. Остатки моделей поверхностей сегментов внешнего корпуса
В сущности,величина остатков ε показывает деформации поверхностей сегментов. Графики на рис. 9 и рис. 10 отчетливо демонстрируют характер деформаций. Выраженные полосы на графиках соответствуют положению на сегментах мощных ребер жесткости. В целом отклонения можно охарактеризовать следующим образом: в местах сегментов с наименьшей жесткостью (между ребрами, на удалении от фланцев, в местах замков) наблюдаются отрицательные значения отклонений. Причиной таких деформаций являются остаточные напряжения, возникающие в результате процессов сварки корпусов. Подтверждением этого является локализация мест с максимальными градиентами деформаций вблизи мест расположения мощных сварных швов.
4. Выводы
На основе анализа литературных источников и интерпретации количественных данных о техникоэкономических показателях технологий производства систем и узлов геохода показана значимостьсовершенствования технологий изготовлениякрупногабаритных корпусов вращения геохода.В силу наличия значительного количества подходов к моделированию процессов формирования погрешностей крупногабаритных сегментных корпусов, в процедурах анализа их геометрической точности необходимо опираться на фактические данные, полученные при контроле реальных образцов изделий.Анализ данных координатного контроля стабилизирующей секции и внешнего корпуса модуля сопряжения показал, что в процессе их производства основными факторами формирования погрешностей являются погрешности изготовлениясегментов, отклонения их взаимного расположения при сборке и сварочные деформации.Геометрическая точность крупногабаритных корпусов вращения может быть увеличена за счет повышения качества исходных комплектующих, совершенствования сборочных наладок и оптимизации конструкции изделия с точки зрения обеспечения ее равномерной жесткости.
Ссылки на источники1.Аксенов В.В., Хорешок А.А., Ефременков А.Б., Казанцев А.А., Бегляков В.Ю., Вальтер А.В. Создание нового инструментария для формирования подземного пространства / В.В. Аксенов [и др.] // Горная техника. –2015. –№1(15). –С.2426.2.Левченко А.Е., Лернер В.Г., Петренко Е.В., Петренко И.Е. Организация освоения подземного пространства. Свершения и надежды. –М.: ТИМР, 2002. –406с.3.КартозияБ.А. Освоение подземного пространства крупных городов. Новые тенденции // Горный информационноаналитический бюллетень (научнотехнический журнал). –2015. –№S1. –С.615630.4.Аксенов В.В., Хорешок А.А., Адамков А.В., Ермаков А.Н. Обоснование необходимости разработки новой технологии строительства подземных выработок // Вестник Кузбасского государственного технического университета. –2015. –№4 (110). –С.2126.5.Галимджанов Р. Ш. Факторы инновационного развития современного промышленного предприятия в условиях глобализации // Концепт. –2014. –№ 04 (апрель). –ART14104. –0,4 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2014/14104.htm. –Гос. рег. Эл № ФС 7749965. –ISSN 2304120X. –[Дата обращения 15.02.2016].6.Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Садовец В.Ю., Резанова Е.В. Создание инновационного инструментария для формирования подземного пространства // Вестник Кузбасского государственного технического университета. –2010. –№1. –С.4247.7.Аксенов В.В., Тимофеев В.Ю., Сапожкова А.В., Горбунов В.Ф. К вопросу о создании новой технологии проведения аварийноспасательных выработок при ликвидации техногенных катастроф // Горный информационный аналитический бюллетень (научнотехнический журнал) Mining informational and analytical bulletin (Scientific and technical journal). –2011. –№9. –С.6067.8.Данилова Н. Л. Ключевые факторы успеха деятельности машиностроительного предприятия // Концепт. –2016. –№ 01 (январь). –ART 16014. –0,6 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2016/16014.htm. –ISSN2304120X. –[Дата обращения 16.02.2016].9.АксеновВ.В., Вальтер А.В.Специфика геохода как предмета производства // Научное обозрение. –2014. –Т.8, Ч. 3. –С.945950.10.Aksenov V.V., Walter A.V., Gordeyev A.A., Kosovets A.V. Classification of geokhod units and systems based on product cost analysis and estimation for a prototype model production // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. –2015. –Vol.91. –pp.012088.11.LowthS., Axinte D.A.An assessment of “variation conscious” precision fixturing methodologies for the control of circularity within large multisegment annular assemblies // Precision Engineering. –2014. –Vol.38. –pp.379390.12.ГалееваА.А., Ивкин А.Н.Влияние запаса износостойкости оболочки головной секции геохода намассу агрегата / А.А. Галеева, А.Н. Ивкин // Труды V Всероссийской научнопрактической конференции для студентов и учащейся молодежи «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении». –Томск: Издво ТПУ, 2012. –С.113115.13.ВальтерА.В., Аксенов В.В.Варианты обеспечения точности оболочек и собираемости корпусов геохода // Механики XXI веку. –2015. –№14. –С.8992.14.MemonM., Hussain T., Memon Z.A.L.I.Minimizing Assembly Errors by Selecting Optimum Assembly Sequence in the Assembly of a Rigid Circular Structure // Mehran University Research Journal of Engineering & Technology. –2012. –Vol.31. –Iss.4. –pp.743754.15.Hussain T., Yang Z., Popov A.A., McWilliam S. Straightbuild assembly optimization: A method to minimize stagebystage eccentricity error in the assembly of axisymmetric rigid components (twodimensional case study) // Journal of Manufacturing Science and Engineering, Transactions of the ASME. –2011. –Vol.133. –Iss.3. –Article number 031014.16.ВальтерА.В., Аксенов В.В.Определение отклонений геометрической формы оболочек корпусных изделий геохода // Актуальные проблемы современного машиностроения: сборник трудов Международной научнопрактической конференции. –Томск: ТПУ, 2014. –С.165170.17.WalterA.V., Aksenov V.V.Determining deviations in geometry of the geokhod shells // Applied Mechanics and Materials. –2015. –Vol.770. –pp.439444.18.DengD., Murakawa H., Liang W.Numerical simulation of welding distortion in large structures // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. –2007. –Vol.196. –Iss.4548. –pp.46134627.19.ChenZ., Chen Z., Shenoi R.A.Influence of welding sequence on welding deformation and residual stress of a stiffened plate structure // Ocean Engineering. –2015. –Vol.106. –pp.271280.20.ВальтерА.В., Аксенов В.В., Чазов П.А.Математическое обеспечение обработки данных координатного контроля оболочки геохода // Технологии и материалы. –2015. –№3. –С.49.21.АксеновВ.В., Вальтер А.В., Бегляков В.Ю.Обеспечение геометрической точности оболочки при сборке секций геохода // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). –2014. –№4 (65). –С.1928.
