Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 13
1.1. Анализ работоспособности и ресурса сельскохозяйственной и мелиоративной техники 14
1.1.1. Анализ работоспособности и долговечности мобильной сельскохозяйственной техники 17
1.1.2. Исследование и анализ эксплуатационной надежности мелиоративных машин 21
1.2. Основные причины потери работоспособности агрегатов гидропривода и анализ системы «дизель - гидронасос — гидррмооор» мооильных машин 33
1.2.1. Основные причины потери работоспособности агрегатов гидропривода 32
1.2.2. Анализ механической характеристики системы «дизель - гидронасос -гидромотор» мелиоративных машин 35
1.2.3. Анализ работы системы «насос - гидромотор» зерноуборочного комбайна «Дон-1500» 38
1.3. Комплексные покрытия как резерв повышения долговечности и работоспособности трибосопряжений гидроприводов мобильной техники 42
1.3.1. Пути повышения ресурса трибосопряжений агрегатов сельскохозяйственной и мелиоративной техники 42
1.3.2. Способы упрочнения трущихся деталей гидросистем 50
1.3.3. Технологические способы нанесения покрытий 54
1.4. Выводы. Цель и задачи исследования 60
2. Общая методика и структура экспериментальных исследований 62
2.1. Программа и структура исследований 62
2.2. Выбор и обоснование упрочняющего антифрикционного покрытия при экспериментальных исследованиях 65
2.3. Методика проведения лабораторных испытаний образцов деталей 69
2.4. Методика проведения стендовых испытаний 81
2.5. Методика проведения эксплуатационных испытаний 83
2.6. Обработка экспериментальных данных и оценка точности измерения 84
3. Теоретическое обоснование повышения долговечности и работоспособности ресурсоопределяюших трибосопряжений гидроприводов сельскохозяйственной и мелиоративной техники 89
3.1. Математическая модель изнашивания трибосопряжений и прогнозирование их долговечности 91
3.2 Обоснование и разработка покрытий, упрочняющих «слабые» трибосопряжения гидроприводов мобильных машин 98
3.2.1 Теоретические предпосылки улучшения работоспособности и повышения ресурса гидроприводов мобильных машин применением комплексных покрытий 100
3.2.2 Обоснование и выбор комплексного покрытия деталей гидропривода мобильных машин 104
3.2.3. Химико-математическая модель процесса нанесения комплексных покрытий 110
3.3. Выводы по главе 118
4. Экспериментальные исследования и их результаты 120
4.1.Триботехнические испытания на машине трения СМЦ-2 120
4.1.1 Испытания на прирабатываемость комплексных покрытий 120
4.1.2 Износные испытания образцов 127
4.1.3 Испытания на схватывание 131
4.2 Исследование физико-механических свойств покрытия 132
4.2.1. Структура и свойства покрытия 132
4.2.2.Коррозионная стойкость 146
4.3. Стендовые испытания экспериментальных агрегатов гидроприводов сельскохозяйственной и мелиоративной техники 150
4.3.1. Режимы испытания комплексных покрытий на стенде, имитирующем объемный гидропривод экскаватора 150
4.3.2. Сравнительные испытания комплексных покрытий на стенде 153
4.4. Выводы по главе 157
5. Обоснование технологии и выбор оборудования для упрочнения и улучшения прирабатываемости ресурсоопределяющих трибосопряжений гидроприводов 158
5.1. Требования к технологическому процессу упрочнения трущихся деталей 158
5.2. Технология и оборудование для упрочнения деталей гидроприводов комплексными покрытиями 159
5.2.1. Оборудование участка 161
5.2.2. Определение возможного количества деталей с некачественным покрытием 166
5.3. Требования по безопасности жизнедеятельности и экологии 170
5.4. Выводы по главе 171
6. Анализ результатов эксплуатационных испытаний и внедрение разработок в АПК 172
6.1. Результаты эксплуатационных испытаний и внедрение разработок в сельскохозяйственное производство 172
6.2. Расчет экономической эффективности технологии упрочнения трущихся деталей гидроприводов применением комплексных покрытий 173
6.3. Выводы по главе 182
Общие выводы 183
Список литературы 185
Приложение 197
- Анализ работоспособности и долговечности мобильной сельскохозяйственной техники
- Обоснование и выбор комплексного покрытия деталей гидропривода мобильных машин
- Структура и свойства покрытия
- Оборудование участка
Анализ работоспособности и долговечности мобильной сельскохозяйственной техники
Многолетний хронометраж работы зерноуборочных комбайнов СК-5 «Нива», СК-6 «Колос», Д-1200 и Дон-1500 в Волгоградской, Ростовской, Саратовской областях, Краснодарском и Ставропольском краях позволили установить, что примерно треть рабочего времени обследованные машины простаивали из-за низкой надежности (табл. 1.1, 1.2,1.3). Таблица 1.1
Из таблицы 1.1 видно, что более 40% основного времени затрачивается на техническое обслуживание и устранение отказов зерноуборочных комбайнов.
Отказы сельскохозяйственных машин происходят по трем причинам -это конструктивные недостатки, нарушения технологии изготовления и условия эксплуатации (5).
Большая доля отказов вызвана нарушением условий эксплуатации: переключением передач на ходу, несоблюдением инструкций по натяжению ременных и цепных передач, нарушением графика смазочных операций, регулировок зазоров в трущихся сопряжениях, частым забиванием рабочих органов хлебной массой и, как следствие, повышенными износами узлов трения рабочих органов (см. табл. 1.2, 1.3) (5 - 7).
Из табл. 1.2 и 1.3 видно, что большее число отказов приходится на сборочные единицы: гидросистема, механические передачи, жатки, подборщик.
По материалам ВНИИПТИМЭСХ наработка на отказ у зерноуборочных комбайнов США составляла 62 - 104 ч, а у отечественных «Нива» и «Колос» - 6,9 и 9,5 ч. По другим исследованиям (26, 27) наработка на отказ у современных американских комбайнов достигает 50 ч и в 2,5 раза превышает наработку у комбайнов «Дон-1500». Анализ отказов комбайнов «Дон-1500» показал, что более 60% из них - постепенные, назревающие в течении некоторого времени (износы, ослабление крепежа, негерметичности и т.п.)
Средние показатели надежности комбайнов «Дон-1500» по наблюдениям авторов (5, 7, 26,27) представлены в табл. 1.4.
Количественный анализ отказов показал, что в среднем на комбайн, обследуемый «Сервис-Дон», за наработку 200 часов основной работы наблюдалось по 2 отказа. Наибольшее количество отказов пришлось на механические передачи, гидравлику и жатвенную часть (26, 27).
Например, по мнению авторов (26, 27), основной причиной выхода из строя гидронасоса НШ-32-3 является падение производительности из-за неправильной эксплуатации и изнашивания элементов насоса. По гидронасосам НП-90 отмечено, что выходят они из строя из-за отсутствия качественной обкатки, а при введении в эксплуатацию без данных мероприятий это приводит к отказам. Причиной выхода из строя клапанов РК-00.000 является износ уп-лотнительных колец (30, 34, 36 - 38, 41).
Механизм формирования отказов может быть представлен в виде причинно-следственной цепочки, основными звеньями которой являются развитие деградационных процессов, изменение исходного состояния элементов и функциональных параметров как в процессе приработки, так и при установившейся работе сопряжений (рис. 1.1).
Обоснование и выбор комплексного покрытия деталей гидропривода мобильных машин
Высокие рабочие параметры машин и сложные условия эксплуатации потребовали создания сплавов высокой прочности, вязкости, коррозионной стойкости и износостойкости в условиях сложного нагружения. Таким комплексом свойств одновременно не обладает ни один из сплавов.
Возможным путем получения таких свойств поверхностным слоем деталей, эксплуатирующихся в сложных условиях (какими являются пары трения гидроприводов мобильных машин), является применение покрытий одним или несколькими элементами. Покрытия, состоящие из нескольких элементов, принято называть комплексными.
Комплексные покрытия позволяют повысить надежность и улучшить рабочие параметры машин и увеличить ресурс многих дорогостоящих деталей.
Исследованиями [14, 15, 16, 24, 29, 48, 55, 58] установлено, что до 80% деталей, в основном сопряжений, работающих при граничном трении, выходят из строя из-за износа, преимущественно абразивного.
Известно, что очень большое влияние на износостойкость материалов имеет взаимное соотношение твердостей материала Нм и абразива На. Г. Ва-аль [137] провел серию опытов на абразивной бумаге, применяя в качестве абразивов минералы твердостью 5-9 по шкале Мооса. Он получил S-образную кривую (рис. 3.4), которую разделил на три характерные зоны: зона I, где На Нм, износ материала незначителен; зона II, где твердость абразива немного выше твердости материала и кривая имеет резкий подъем; зона III, где На Нм, износ большой и стабильный. При этом автор отмечает, что, чем тверже материал тем ниже проходит кривая в зоне III.
Аналогичные кривые были получены ниже в работах [50, 55, 68, 130, 137]. Причем соответствующие опыты проводились на абразивной бумаге по методу гильзы, вращающейся в абразивной массе, а также в струе абразивного материала под углом атаки 90. Полученные при ot=15 и 90 кривые приведены в работе А.А. Антонова. Универсальность закона S-кривых подтверждают опыты Т.Э. Нормана в условиях абразивного изнашивания.
Общеизвестны опыты М.М. Хрущова и М.А. Бабичева на машинах ХЧ-Б и УАМ [14, 55]. Они уточняли координаты кривой, получив у металлов для начала зоны III На=(1,3..Л,7)Нм. На основе S-кривых можно утверждать, что если заменить абразив более мягким, то при любом виде абразивного изнашивания в зоне II износ данного конкретного материала довольно резко уменьшается.
Следует иметь в виду, что увеличение твердости трущихся поверхностных слоев часто не решает проблемы повышения износостойкости. Экспериментально доказано, что износостойкость определяется не только механической прочностью, но и в большей мере способностью не создавать при повторных воздействиях неоднородностеи, которые могут стать источником зарождения и развития дефектов. Поэтому износостойким будет не предельно жесткий материал, а материал более «динамичный», способный к «самозалечиванию» дефектов. Однако он имеет малую несущую способность. Отсюда возникает структурный принцип двухслойности покрытия с вторичным слоем, обладающим высокой твердостью.
Структура, износостойкие и приработочные свойства могут быть подобраны исходя из требуемой работоспособности трущихся поверхностей для заданных условий изнашивания. Учитывая комплекс основных трибо-технических требований к покрытиям: обеспечение прирабатываемости, твердости и стойкости к трибоокислению, прочности сцепления с основным материалом, малую склонность к адгезионным воздействиям, следует отдать предпочтение способам низкотемпературного модифицирующего упрочнения, позволяющим получать покрытия с заданными свойствами на сложно-напряженных деталях без коробления последних. Нанесение слоя покрытия, обладающего необходимыми физико-механическими свойствами, позволит восстанавливать эксплуатационные свойства трущихся деталей при их ремонте и обеспечивать гарантированную работоспособность при эксплуатации.
Наиболее полно, по нашему мнению, удовлетворяют перечисленным требованиям комплексные химические покрытия: сульфомолибденхромиро-вание и боромедьсульфидирование для чугунных и стальных деталей. Дополнительно при выборе покрытия во внимание были приняты следующие положения:
1) удовлетворительная адгезионная прочность покрытий;
2) низкотемпературный режим обработки (125... 150С);
3) простота технологии нанесения покрытий и их экологичность;
4) толщина покрытия в пределах величины зазора в сопряжениях;
5) дешевизна и недефицитность химикатов.
Для исследования были выбраны детали гидроприводов сельскохозяйственной и мелиоративной техники (материал - чугун СЧ 25, ГОСТ 1412-81 и сталь 25Х5МА, ГОСТ 1859-71), износостойкость которых лимитирует ресурс гидросистемы в целом. Формирование покрытий на деталях происходит в ваннах с раствором химически активных компонентов (табл. 3.1, 3.2, рис. 3.2) при температуре не выше 150С. За основу был выбран состав ванны для сульфидирования изделий, содержащий следующие компоненты (в % к массе): Н20 - 48, NaOH - 49, S - 0,5, Na2S - 1, Na2S203 - 1,5
Это обусловило необходимость дальнейших исследований физико-механических и триботехнических свойств покрытий.
Структура и свойства покрытия
С целью определения состава сульфомолибденхромированного покрытия провели его структурный анализ на установке ДРОН-3,0. Исследованию подвергали образцы (материал чугун СЧ-25, ГОСТ1412-81) без покрытия (исходные) и сульфомолибденхромированные (обработанные). Известно, что каждая фаза материала имеет свою специфическую кристаллическую решетку с определенными параметрами, которым на рентгенограмме соответствует система линий.
Анализ дифрактограмм проводили по картотеке эталонных дифракционных спектров, принятой американским комитетом стандартизации (ASTM).
Идентификация полученных рентгенограмм (рис. 4.8) показала:
1. Исходный образец состоит из aFe с небольшой долей карбида железа, на что указывают пики с межплоскостными расстояниями d/n = 1.43; 2.02; 2,17 А и полным набором d/n 4 для ccFe.
2. Обработанный образец более сложен по своему составу. Кроме исходных фаз, появляется фаза сульфидов железа FeS и молибдена, на что указывают дополнительные линии с d/n. Пики с d/n 1,51; 1,87; 3,74; 5,31 являются новыми, а с d/n 2,19 и 2,23 А имеют отклонения от значения как для чистых окислов, так и для окислов хрома, что присуще, как правило, образованию общей (единой) деформированной структуры, близкой к интерметаллическим соединениям типа FeCr (см рис. 4.8). Известно, что интерметаллические соединения (металлиды) получаются прямым взаимодействием их компонентов при нагревании путем реакций обменного разложения и др.
Интерметаллиды не подчиняются правилам нормальной валентности, имеют переменный состав и, как правило, характеризуются упорядоченным расположением атомов, способны образовывать индивидуальные кристаллические структуры, отличные от структур образующих их элементов. Исследованиями английского ученого Юм-Розери установлено, что состав этих соединений определяется электронной концентрацией h, которая равна отношению общего числа валентных электронов к общему числу атомов в структурной ячейке. При h = 3/2 образуются (3-фазы с объемно-центрированной кубической структурой при h = 21/13 -у-фазы имеющие кристаллическую структуру гранецентрированного куба, при h = 7/4 А - гексагональные е Образование электронных металлических соединений объясняется зонной теорией, по которой каждая фаза в данной системе устойчива до определенной электронной концентрации, после чего дальнейшее заполнение энергетических уровней становится невозможным и возникает другой кристаллический тип, обладающий высокими физико-механическими свойствами.
Решающую роль в протекании физико-химических процессов играют всплески температур на пятнах касания микровыступов трущихся пар.
Исследовали дисульфид молибдена, а также дисульфид молибдена, тщательно перемешанный с порошком железа. Результаты исследования представлены на рис. 4.9 и проводились на дериватографе фирмы MOM (Венгрия).
Первая стадия разложения дисульфида молибдена в присутствии железа слабым экзоэффектом. При этом происходит одновременно разложение Мо03 и SO2. Последнее останавливается углеродом с образованием элементарной серы, которая активно реагирует с поверхностями, образуя сульфиды: S02 + С = S2 + С02 МеО + S2 + С = MeS2 + СО
При умеренном давлении и дислокации дисульфида молибдена образуется промежуточный продукт сееквисульфид M02S3: 2MoS2 = Mo2S3+S
В работах установлено, что Mo2S3 является низшим сульфидом молибдена.
Строение полученных соединений было подтверждено ИК-спектральными исследованиями на приборе UR-20 с призмами Al, Сг, Li в области частот 1000...1400 см"1 и 2800...3800 см 1 (рис. 4.10).
Дальнейшими ОЖЕ-спектрометрическими исследованиями изучено распределение элементов в основном металле по глубине. Основные преимущества метода - высокая чувствительность при проведении элементного анализа приповерхностной области и быстрота получения спектра.
ОЖЕ-спектрограммы снимались на отечественном спектрометре типа 09ИОС-2 при энергии пучка Ер= 1750 эВ, Jp = 2,5 мА в камере с вакуумом не ниже р = 10s торр. Съемки производились на образцах, изготовленных непосредственно из деталей гидропривода, в нескольких точках косого среза (рис. 4Л1). Из спектрограмм видно, что образец содержит присущие сплаву элементы S, С, N, О, Сг, Fe, Mo и др. Повышенное содержание S, Мо и Сг, по-видимому, связано с составом ванны, в котором обрабатывались образцы. Из рис. видно, что ОЖЕ-спектры имеют примерно одинаковый профиль, однако интенсивность линий (495...497 и 532...535 эВ) изменяется. При этом максимальная величина ее соответствует точке Ть минимальная - Т4, что говорит об уменьшении концентрации Сг и Мо. Дальнейшие исследования показали, что после точки Т4 интенсивность линий Сг одинакова. Это свидетельствует о постоянстве концентрации Сг и соответствует содержанию его в основном металле. Глубина слоя основного металла с повышенным содержанием Сг составила 70...80 мкм, а Мо - 50...60 мкм. При этом Сг внедряется в решетку железа, образуя соединения с общей кристаллографической решеткой типа интерметаллического соединения FeCr. Таким образом, исследованиями установлено химическое взаимодействие покрытия рассматриваемого типа с железом. Это взаимодействие включает хемосорбцию активных элементов покрытия и образование сложных композиций: с одной стороны - сульфидов хрома и железа, с другой - интерметадлических соединений типа FeCr с электронной концентрацией 3/2 (1,48 А).
Так как покрытие имеет много составляющих химических соединений, то возникает необходимость определения их расположения по глубине диффузионного слоя образцов. С этой целью был подготовлен шлиф и проведены послойные замеры микротвердости сульфомолибденхромированных образцов.
Микротвердость поверхностных слоев измеряли на твердомере ПМТ-ЗМ в соответствии с ГОСТ 9450-76 путем вдавливания алмазной пирамиды с углом при вершине 130 при нагрузке 1,962 Н (200 г). Величину микротвердости определяли из таблицы "диагональ отпечатка - микротвердость", составленной после тарировки прибора.
Участки послойного замера микротвердости фотографировали с помощью микроскопа МИМ-8М.
По результатам исследований установили, что покрытие состоит из двух частей: первый слой - 2...5 мкм, включающий в себя сульфиды железа и молибдена с микротвердостью 2500 МПа1, второй - до 80 мкм, имеющий в своем составе интерметаллические соединения типа FeCr с микротвердостью 5500„.6000МПа.
Высокая твердость наблюдается также и по глубине закаленного слоя до 60...80 мкм, что является подтверждением хорошей диффузии и интенсивного характера химических связей между составляющими ванны и основным металлом.
На рис. 4.12 представлена структура и изменение микротвердости по глубине боромедьсульфидированного образца.
Можно полагать, что изменение твердости по глубине сульфидного слоя связано с образованием сульфидных соединений на поверхности и зоны перехода от "чистых" сульфидов металлов к боридам, обладающим уже большей твердостью. Не исключено влияние на микротвердость и соединений меди, которые присутствуют на поверхности, что и показали электроно-графические исследования после испытания на машине трения.
Оборудование участка
На основе разработанного технологического процесса нанесения комплексного химического покрытия спроектирован участок и подобрано оборудование (рис. 5.2а,б). На участке должно находиться: ванна для травления 1, ванна для промывки 2, ванна для нанесения комплексных покрытий 3, тельфер 4, вытяжка 5, стеллажи для химикатов 6, весы 7, стеллажи для готовой продукции 8 и ремфонда 9, подвод воды 10, стол II, верстак 12.
Ванна для химического нанесения покрытий представляет собой емкость, сваренную из стальных листов с внутренним обогревом (рис. 5.3).
Нагрев осуществляется переменным током (напряжение 220 В) с помощью трубчатых электронагревателей, состоящих из цельнотянутых труб диаметром 15 мм, в которых помещена нихромовая спираль, изолированная от стенок трубы каким-либо непроводником, например, порошкообразным кристаллическим оксидом магния. Путем изгиба в нагретом состоянии трубчатым электронагревателям придана наиболее удобная для использования в ваннах U-образная форма.
Техническая характеристика ванны, используемой в лабораторных целях (рис. 5.4):
Рабочая температура, С -130-150
Мощность, кВт - 3
Напряжение сети, В -.220
Объем расплава, м3 - 0,075
Габаритные размеры, мм - 700x400x1200
Масса ванны, т -0,06
Ванны с внутренним обогревом по сравнению с ваннами с внешним обогревом при одинаковых размерах рабочего пространства имеют меньшие теплопотери, следовательно, меньший удельный расход электроэнергии.
Между поверхностью ванны и кожухом проложен слой теплоизоляции (шлаковая или стеклянная вата), предохраняющий наружные стенки от нагрева свыше 40С
Дня удаления испарений ванна снабжена бортовым отсосом, представляющим собой воздуховод с щелевидными отверстиями, расположенными вдоль одной стороны ванны, и который изготовлен из тонкой (1-2 мм) листовой стали.
Ванны для обезжиривания, травления и промывки сходны по конструкции и отличаются материалом, из которого они изготовлены.
Внутренняя поверхность ванн для химического травления и промывки футерована кислотоупорными материалами.
Раствор в ваннах подогревается с помощью электроэнергии с применением теплонагревательных элементов (ТЭНов).
Дня контроля работы ванны, в частности, для автоматического регулирования температуры раствора применяется контактный термометр с магнитным регулированием (ТКМП).
Для перекачивания раствора в ваннах применяется центробежный насос из кислотоупорных материалов. Трубопроводы для перекачки кислотных растворов изготовлены из коррозионно-стойкой стали.
Технологический процесс нанесения комплексного покрытия не требует сложного и дорогостоящего оборудования.
