Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1 Износ сельскохозяйственной техники в не рабочий период 11
1.2 Обзор и характеристики материала защитных покрытий 15
1.2.1 Основные виды грунтовок 21
1.3 Анализ способов нанесения защитных покрытий поверхности сельскохозяйственной техники 26
1.4 Анализ конструкций насадок и агрегатов, применяемых для защиты поверхностей сельскохозяйственной техники 29
1.5 Выводы 37
1.6 Задачи исследований 37
Глава 2 Теоретические исследования гидравлического нанесения защитного покрытия поверхности сельскохозяйственной техники 39
2.1 Теоретические исследования нанесения и распределения защитного покрытия поверхности объекта 39
2.2 Устройство нанесения защитного покрытия 43
2.3 Математическое описание течения вязкой жидкости 46
2.4 Выводы 54
Глава 3 Экспериментальные исследования нанесения защитных покрытий поверхности сельскохозяйственной техники 57
3.1 Программа экспериментальных исследований 57
3.2 Экспериментальная установка и регистрирующая аппаратура 57
3.3 Методика исследования влияния каплеобразования на процесс нанесения защитных покрытий поверхности сельскохозяйственной техники 61
3.4 Методика исследования равномерности нанесения грунтовки в зависимости от размера капель 64
3.5 Результаты экспериментальных исследований 71
3.5.1 Результаты исследования влияния каплеобразования на нанесение защитных покрытий поверхности сельскохозяйственной техники 71
3.5.2 Результаты двухфакторных экспериментов по плану 22 на модернизированном пистолете-распылителе при нанесении защитного покрытия поверхности (грунтовки ГФ-21) 73
3.5.3 Результаты двухфакторных экспериментов по плану 22 на модернизированном пистолете-распылителе при нанесении защитного покрытия поверхности (грунтовки Reoflex) 76
3.6 Установление зависимости адгезионных свойств защитных покрытий от ее толщины 78
3.7 Результаты экспериментальных полевых исследований разработанного пистолета-распылителя 82
3.8 Выводы 83
Глава 4 Технико-экономический эффект применения экспериментальной установки нанесения защитного покрытия поверхности сельскохозяйственной техники 84
4.1 Внедрение экспериментальной установки нанесения защитного покрытия и экономический эффект от её использования 84
4.2 Выводы 88
Заключение 89
Библиографический список 91
Приложения 106
- Обзор и характеристики материала защитных покрытий
- Экспериментальная установка и регистрирующая аппаратура
- Установление зависимости адгезионных свойств защитных покрытий от ее толщины
- Внедрение экспериментальной установки нанесения защитного покрытия и экономический эффект от её использования
Введение к работе
Актуальность темы исследования. На данный момент в России
выполняется «Государственная программа развития сельского хозяйства и
регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и
продовольствия на 2013-2020 годы». Решить данную проблему невозможно без
широкого применения современных сельскохозяйственных машин,
особенностью эксплуатации которых является сезонная занятость. Они
эксплуатируются в тяжелых и сложных условиях. Из-за контакта с дорожными
покрытиями, почвой, растениями, горюче-смазочными материалами, а также
удобрениями, ядохимикатами, при переменах температурных режимов работы
и влиянии ряда других факторов сельскохозяйственная техника устаревает и
коррозирует, что снижает производительность функционирования, ухудшает
некоторые ее показатели работоспособности. Большое количество
сельскохозяйственных машин эксплуатируется от 10...15 до 55...60 дней в течение года, а оставшееся время подлежит качественному хранению. Работоспособность и срок их службы может увеличиться до 10-15% за счет нанесения защитного покрытия сельскохозяйственных машин.
Улучшение качества хранения сельскохозяйственных машин при условиях сезонного использования имеет актуальность для всех хозяйств России.
Широкое использование защитного покрытия диктует необходимость
совершенствования технологии их нанесения. При существующих способах
нанесения защитного покрытия перед хранением невозможно добиться
высокой производительности с соблюдением показателей качества наносимого
слоя. Данная операция в большинстве случаев выполняется вручную или
пневматическим способами. Повысить эффективность хранения
сельскохозяйственной техники возможно благодаря нанесению защитного покрытия гидравлическим способом. При этом необходимо совершенствовать устройства нанесения обоснованием их параметров, снижающих затраты труда и средств, что подтверждает актуальность данного направления научных исследований.
Обоснование параметров установки нанесения защитного покрытия гидравлическим способом, повышающим равномерность распределения материала на поверхности сельскохозяйственных машин, является важной народно-хозяйственной задачей.
Степень разработанности темы
Вопросами развития системы технического обслуживания и ремонта сельскохозяйственной техники, а так же нанесения защитного покрытия на поверхность сельскохозяйственных машин занимались Г.А. Борисов, С.Н. Борычев, Н.В. Бышов, А.А. Герасименко, И.К. Данилов, Б.П. Загородских, Г.Д. Кокорев, М.Ю. Костенко, А.М. Кравченко, М.Б. Латышенок, Р.И. Ли, С.Г. Малюгин, А.В. Марусин, Ю.Н. Михайловский, Д.Г. Пажи, А.И. Петрашев, С.Д. Полищук, В.Д. Прохоренков, Г.К. Рембалович, А.Э. Северный, А.А Симдянкин,
В.В. Терентьев, Б.А. Улитовский, И.А. Успенский, В.И. Черноиванов, А.В. Шемякин, И.А. Юхин и др.
Обобщение и уточнение результатов их работ позволяют сегодня использовать при техническом обслуживании и ремонте сельскохозяйственной техники различные конструкции устройств нанесения защитного покрытия поверхности. Однако существующее их разнообразие отечественного и зарубежного производства не исчерпало возможности разработки и совершенствования параметров новых устройств. Недостаточно изученными остаются вопросы по обоснованию устройств нанесения защитного покрытия гидравлическим способом, повышающих равномерность распределение материала на поверхности сельскохозяйственных машин.
Работа выполнена по плану НИР ФГБОУ ВО РГАТУ на 2016-2020 гг. по
теме 3 «Совершенствование технологий, средств механизации, электрификации
и технического сервиса в сельскохозяйственном производстве» в рамках
раздела 3.3 «Повышение эффективности эксплуатации мобильной
сельскохозяйственной техники за счет разработки новых конструкций, методов и средств технического обслуживания, ремонта и диагностирования» (подраздел 3.3.6 «Повышение эффективности технологий технического обслуживания сельскохозяйственной техники с разработкой установок для нанесения консервационных материалов и очистки наружных поверхностей»).
Цель исследований– обоснование параметров установки
гидравлического нанесения защитного покрытия сельскохозяйственной техники, обеспечивающих равномерную его толщину.
Объект исследования - влияние параметров установки гидравлического
нанесения защитного покрытия сельскохозяйственной техники на
равномерность его толщины.
Предмет исследований - влияние каплеобразования на равномерность нанесения защитного покрытия.
Научную новизну работы представляют:
- аналитические зависимости, раскрывающие влияние параметров
установки гидравлического нанесения защитного покрытия
сельскохозяйственной техники на равномерность распределения защитного
материала по ее поверхности.
- научно-обоснованное техническое решение установки гидравлического
нанесения защитного покрытия сельскохозяйственной техники.
Теоретическая значимость работы. Обосновано влияние
каплеобразования грунтовки при истечении из установки гидравлического нанесения защитного покрытия на его равномерность, определены параметры предложенной установки гидравлического нанесения защитного покрытия сельскохозяйственной техники.
Практическая значимость работы. Предложено новое научно-техническое решение установки гидравлического нанесения защитного покрытия (патент №147131), обеспечивающее равномерность его слоя на поверхности сельскохозяйственных машин.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе классической механики, гидравлики и математической статистики.
При проведении экспериментальных исследований использовались
стандартные и предлагаемые методики, сертифицированные приборы и
установки. Качество нанесения защитного покрытия поверхности
подготовленных образцов определялось в соответствии с ГОСТ 15140-78. Обработка результатов исследований проведена методами математической статистики (с использованием программ MathCAD 14.0, Statistica 8.0).
Положения, выносимые на защиту:
- аналитические зависимости влияния каплеобразования на
равномерность нанесения защитного покрытия сельскохозяйственной техники;
- теоретическое обоснование параметров установки гидравлического
нанесения защитного покрытия машин;
- конструктивно-технологическая схема установки гидравлического
нанесения защитного покрытия сельскохозяйственной техники;
- результаты экспериментальных исследований параметров установки
гидравлического нанесения защитного покрытия сельскохозяйственной
техники.
Достоверность результатов исследований. Для проведения
экспериментальных исследований использовались современные аттестованные
приборы. Также полученные результаты подтверждаются сходимостью
результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение
составило 3,5%), при точности 95,5%. Выводы, полученные в ходе
диссертационного исследования, согласуются с результатами,
опубликованными ранее в независимых источниках по тематике исследования, прошли широкую апробацию в печати, на международных и всероссийских научно-практических конференциях.
Реализация результатов исследований. Установка гидравлического нанесения защитного покрытия сельскохозяйственной техники применялась в ООО «Автомобилист» и ООО «Рассвет» Клепиковского района Рязанской области.
Вклад автора в решение поставленных задач состоит в разработке и формулировании цели и задач работы, определении направлений теоретических и экспериментальных исследований, организации и проведении исследований, обобщении положений по обеспечению равномерности нанесения защитного покрытия сельскохозяйственной техники.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований
доложены и обсуждены на международных научно-практических
конференциях Рязанского ГАТУ им. П.А. Костычева (2012…2018 гг.), на
Международной научно-практической конференции «Новая наука: Стратегии и
векторы развития» (Магнитогорск, 8 февраля 2017 г.), на 68-ой Международной
научно-практической конференции «Принципы и технологии экологизации
производства в сельском, лесном и рыбном хозяйстве» (Рязань, 26 апреля 2017
г.), Международной научно-практической заочной конференции
«Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы» (Саранск,
ноябрь 2017). Макет лабораторной установки был представлен 1 сентября 2017 года во время празднования «Дня знаний» и 9 сентября 2017 года «Спожинки -праздник урожая», а также в рамках научных мероприятий, проведенных на базе ФГБОУ ВО РГАТУ.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в печати в 9 научных работах, из них 6 статей в журналах, включенных в «Перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук» ВАК РФ, получено 3 патента РФ на полезные модели. Общий объем публикаций составил 1,875 п.л., из них лично соискателю принадлежит 1,31 п.л.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 127 наименований, в том числе 12 на иностранных языках и 10 приложений, изложена на 133 страницах, включает 41 рисунок и 16 таблиц.
Обзор и характеристики материала защитных покрытий
Одним из самых востребованных материалов в строительстве и промышленности является металл, хотя в некоторых областях его успешно заменяют легковесными и более практичными стеклокомпозитами, но актуальность его использования в традиционных конструкциях сохраняется на достаточно высоком уровне. Также поддержанию эффективности использования металла способствует применение дополнительных мер его обработки, исключающие негативные факторы при эксплуатации. Одной из таких мер является защита металлоконструкций с помощью антикоррозийной обработки, благодаря которой исключается поражение металла ржавчиной.
Поэтому повышается срок службы конструкций, что позволяет сохранить оптимальные технико-физические свойства объекта на протяжении его эксплуатации [28].
Способ защиты металлических поверхностей от коррозии защитными покрытиями предусматривает внешнюю обработку металлической поверхности специальными средствами, формирующими слой, который предотвращает негативные процессы разрушения [50]. За основу для обработки компонентов могут рассматриваться лакокрасочные покрытия, а также те же металлы и сплавы. Нужно отметить, что обработка защитными покрытиями металлоконструкций не предполагает в себе универсальность. Средство для защиты поверхности подбирается в зависимости от условий эксплуатации данного объекта, характеристик используемого металла и испытываемых конструкцией нагрузок. Свойства антикоррозийного покрытия в редком случае сводится только к созданию барьера для ржавчины, нанесенный защитный слой также оберегает поверхность от биологических и механических воздействий [42].
Разновидности защитных покрытий. Существуют различные подходы к различию защитных покрытий от коррозии. В основном распространена классификация по назначению целевого материала. К примеру, выделяют защитные покрытия, используемые для обработки индустриальных конструкций, таких как морские суда, трубопроводы, резервуары и объекты, которые эксплуатируются на открытом воздухе. В каждом случае предполагается своя особенность взаимодействия металлического покрытия с окружающей средой, и с поправкой на способ эксплуатации выбирается антикоррозионное защитное покрытие. К примеру, виды покрытий используемых для трубопроводов, в своей основе представляются лакокрасочными составами, а антикоррозийная защита судов чаще всего представляется в виде металлизированных напылений. Но с точки зрения эксплуатации металлические конструкции редко обрабатываются одним видом защитного покрытия. В основном применяют комплекс, включающий в себя различные технологии металлизированного напыления, а также нанесения лакокрасочных составов [42, 52].
Наиболее распространенным способом антикоррозийной защиты является нанесение лакокрасочного покрытия. Данный метод подходит и для бытового применения, допустим если необходимо обновить цвет и в то же время уберечь от коррозионного разрушения металлический забор, слив или кровельное покрытие. Наиболее эффективные методы относятся к промышленной обработке. К ним относится антикоррозионная защита металлоконструкций с помощью оцинковки, легированием, термической обработки, фаолитированием и т. д., но с другой стороны, чем эффективнее методика, тем она сложнее и дороже. Даже при применении современных технологичных способов происходят экономические потери, в том числе при использовании их в промышленности [53].
Нанесение лакокрасочных покрытий
За основу для разработки антикоррозийных покрытий, способных предотвратить негативные процессы поверхности, выступили лакокрасочные смеси, так как за счет добавления в состав смеси особых растворителей, пластификаторов и пигментов достигаются оптимальные защитные свойства покрытий. К примеру, эмаль, добавляемая при антикоррозионной защите металлоконструкций, повышает адгезионные свойства и формирует надежный и безопасный к механическим повреждениям, слой. Обычно металлические конструкции используются в суровых условиях, и поэтому физическая стойкость к повреждениям является одним из направлений совершенствования защитных покрытий. [72, 73].
Холодное цинкование - это следующий по популярности и эффективности метод защиты поверхности от коррозии. Во время реализации этого технологического способа объект погружается в расплав, который и становится барьером для ржавчины. Данная методика чаще всего применяется при обработке стальных конструкций, а также соединяющих элементов в виде болтовых соединений. Иногда используются дополнительные операции, при которых укрепляется антикоррозионная защита металлоконструкций [72, 73].
СНиП 2.01-19-2004, в котором описаны способы защиты строительных конструкций, показывает на использование в качестве альтернативной защиты или ее дополнения, такие технологии как хроматирование и кадмирование [118]. После чего наносится лакокрасочное покрытие.
Алитирование - этот способ металлизации конструкций, который повышает сопротивляемость поверхности металла к процессам коррозии. За основу активного вещества применяют порошкообразные смеси, состоящие из ферроалюминия. Если холодное цинкование предполагает защитное покрытие в виде слоя цинка, то в этом случае формируется напыление алюминиевого слоя. На металлическую поверхность наносят покрытие металлизированного порошка, а в дальнейшем выполняется изоляционная обмазка. После чего элемент готовится к диффузионному отжигу, и на него наносится специальная краска на основе алюминия. Дальнейшие антикоррозионные работы по защите металлоконструкций продолжаются погружением металлоконструкции в алюминиевый расплав и выдерживаются в нем, параметры которого варьируются в зависимости от требований к покрытию. На практике алитирование повышает свойства металлических поверхностей к износостойкости [72, 73].
Фаолитирование – данная технология представляет нечто среднее между обработкой поверхности металлизированными смесями и нанесением лакокрасочного слоя. Защитные свойства в этом случае формируются на основе кислотоупорной термореактивной пластмассы. Что дает антикоррозийное и теплозащитное покрытие, способствующее противодействию химически агрессивных солей. Главным достоинством, которым обладает такая антикоррозионная защита металлоконструкций, является возможность применения при высоких температурах. Но для создания качественного покрытия необходимо наносить бакелитовую лаковую основу перед непосредственной обработкой [72, 73]. Грунтование. Любой вид грунтовочных растворов содержит в составе специальные вещества – ингибиторы. Они обеспечивают защиту металлических поверхностей от воздействия коррозии. После нанесения любых видов грунтовок на поверхности образуется защитная прозрачная пленка, предотвращающая разрушительные воздействия влаги, плесени, коррозии [72, 73].
Еще одна функция грунта для металла – улучшение адгезии между обработанной поверхностью и краской или другим отделочным материалом. Перед внутренними или внешними отделочными работами обязательно делают грунтовку металла перед покраской [72, 73].
Грунты являются антисептиками, предотвращающими развитие плесени и грибковых колоний. Плесень способна быстро уничтожать любые материалы, в том числе и металл. Но чтобы отделочный материал выполнял эту функцию, следует подобрать подходящий грунт для металлических поверхностей.
Для максимального эффекта от грунтования металлов следует выбрать соответствующую смесь. Они различаются для черных и цветных металлов (рис. 1.2, рис. 1.3).
Экспериментальная установка и регистрирующая аппаратура
Для проведения лабораторных исследований создан экспериментальный стенд (рис. 3.1), состоящий из: установки (рис. 3.3) с регулируемыми основными параметрами, а также обеспечивающей поддержание и изменение заданных параметров в пределах, влияющих на качественные показатели нанесения и распределения защитного покрытия на поверхности объекта и камеры для нанесения защитных покрытий на образец (рис. 3.2).
В экспериментальной установке используются (рис.3.3) насосы 5 с электродвигателем с возможностью регулирования рабочего давления; емкость для жидкого материала грунтовки 1, подающая магистраль; баки высокого давления 2,4- регуляторы мощности (давления) с прерывателем электросети.
Принцип работы установки с насосом и регулятором давления следующий: насос установки всасывает из емкости жидкий материал грунтовки, подает ее по магистрали к баку высокого давления, а от него к рабочему органу. При нагнетании заданного давления в баках, подающих магистралей, срабатывают прерыватели электросети, и насосы выключаются, а давление удерживается на определённом уровне в баках. При нанесении защитного покрытия давление падает, и включаются насосы. Каждый насос работает отдельно в своей системе магистралей и бака высокого давления. Для нанесения защитных покрытий использовался разработанный пистолет-распылитель (рис. 3.4), принцип которого описан ранее в разделе 2.2. Так же для испытания использовались насадки с различным размером диаметра (рис 3.5).
При исследовании влияния каплеобразования на процесс нанесения защитных покрытий поверхности сельскохозяйственной техники применялся сталагмометрический метод (метод счета капель), физические основы которого заключаются в следующем [108].
Во время отрыва капли защитного материала от нижнего конца стеклянной, вертикальной трубки вес Р этой капли уравновешивается силой поверхностного натяжения F, которая действует вдоль периметра шейки капли и препятствует отрыву. Он представляет собой стеклянную трубку, заканчивающуюся капилляром, на которую нанесены метки, определяющие объем V. Для расчета определяют число капель n0 и n, которые образуют соответственно стандартная жидкость (обычно дистиллированная вода) и исследуемая жидкость при вытекании от верхней до нижней метки.
Установление зависимости адгезионных свойств защитных покрытий от ее толщины
Исследованием на определение адгезионных свойств защитных покрытий (прочности сцепления) Ra подвергались по 20 образцов поверхности сельскохозяйственной техники, покрытые грунтовками марок ГФ-21 и Reoflex.
Адгезиметр механический NOVOTEST АМЦ-1 (рис. 3.18) основан на принципе измерения усилия отрыва грибка, который приклеивают к испытуемому покрытию. С помощью поворотного механизма, состоящего из пары винт-гайка, взводится пружинный механизм, который определяет усилие отрыва грибка. удельное усилие отрыва рассчитывается исходя из площади грибка и показаний шкалы, соответствующей его номеру.
Для подготовки прибора к использованию следует:
- зачистить поверхность грибка и место его приклейки на изделие с помощью мелкой наждачной бумаги;
- приклеить грибок к покрытию с помощью циакринового клея, прижать и выдержать в соответствии с указаниями на упаковке;
- при помощи балеринки вырезать участок испытуемого покрытия вокруг грибка до металла.
Для работы адгезиметра NOVOTEST АМЦ-1 следует:
- вращением верхней ручки против часовой стрелки полностью отпустить захватный механизм и пружину;
- навернуть захватный механизм на грибок с использованием резьбы в нижней части захватного механизма вращением прибора по часовой стрелке до упора в основание;
- плавно взвести пружину поворотного механизма вращением ручки по часовой стрелке установить усилие отрыва, при этом приложенное удельное усилие фиксируется на шкале относительно верхнего обреза корпуса;
- в случае отрыва грибка отвинтить его от поворотного механизма с использованием ключа.
- очистить поверхность грибка от следов клея и краски смывкой или шкуркой.
Технические характеристики адгезиметр механического NOVOTEST АМЦ-1 представлены в таблице 3.8.
Результаты испытаний, приведены в таблице 3.9, по которым построена графическая зависимость (рис. 3.19) [11, 55,56, 107].
Анализируя данную зависимость видно, что в диапазоне от 0,017 до 0,019 мм толщины нанесенного защитного покрытия его адгезионные свойства являются рациональными. Дальнейшее увеличение толщины нанесенного защитного покрытия приводит к уменьшению прочностного сцепления поверхности, что способствует появлению отслоения защитного покрытия от поверхности сельскохозяйственной техники.
Внедрение экспериментальной установки нанесения защитного покрытия и экономический эффект от её использования
При нанесении защитного покрытия поверхности техники применяется, как правило, три вида покрытий: однослойное, двухслойное, трехслойное.
Данные о примерной толщине различных слоев при разных видах нанесения защитного покрытия представлены в таблице 4.1.
В зависимости от вида повреждения назначается частичное, наружное или полное нанесение защитных покрытий на поверхность техники.
В общем случае стоимость работ по нанесению защитного покрытия сельскохозяйственной техники или его элементов рассчитывается по формуле[6]: (4.1) где - стоимость 1 нормо-часа работ по нанесению защитного покрытия, руб.[68];
- трудоемкость работ по нанесению защитного покрытия, нормо-час (приложение Ж) [100];
- трудоемкость подготовительно-заключительных и дополнительных работ к нанесению защитного покрытия, нормо-час[68];
n - количество видов материалов необходимых для проведения работ по нанесению защитного покрытию;
- рыночная стоимость одной единицы измерения (кг, л и т.д.) i- того вида материала, который используется при проведении работ по нанесению защитного покрытия, руб. [25];
- удельная норма расхода i -того вида материала, который используется при проведении работ нанесения защитного покрытия, единица материала/кв. м (приложение З);
- окрашиваемая площадь, кв. м.
Порядок проведения технологических операций процесса нанесения защитного покрытия поверхности сельскохозяйственной техники представлен в приложении И, а оценочные показатели процесса нанесения защитных покрытий поверхности техники в приложении К.
Исходные данные, отражающие экономический эффект использования двух вариантов установок даны в таблице 4.2. В качестве базового варианта применялась установка гидравлического нанесения марки GRACO (фирмы производства США).
Стоимость нанесения защитного покрытия поверхности сельскохозяйственной техники базовой установкой на 1 квадратный метр будет равна: руб/м2
При расчете стоимости нанесения защитного покрытия разработанной гидравлической установкой с модернизированным пистолетом-распылителем не учитывается стоимость затрат на дополнительные операции (например смена материала грунтовки для черных металлов на грунтовку для цветных металлов), так как разработанная установка имеет два бака для материала, а пистолет-распылитель имеет возможность переключаться. Тогда стоимость нанесения защитного покрытия разработанной установки на 1 квадратный метр будет равна