Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса изадачи исследования
1.1 Влияние внешних факторов на коррозионную стойкость и прочность деталей сельскохозяйственной техники 13
1.2 Анализ технологических процессов консервации машин при постановке на хранение 17
1.3 Оценка консервационных материалов 21
1.4 Оценка технологий механического перемешивания компонентов при получении загущенной смазки 27
1.5 Анализ технических средств для нанесения вязких консервационных материалов 35
1.6 Выводы и задачи исследования 39
2 Теоретические предпосылки разработки технологии и средств консервации техники загущенными смазками
2.1 Обоснование технологического процесса приготовления загущенных консервационных смазок с использованием вторичных ресурсов 42
2.2 Повышение эффективности процесса смешивания компонентов различной плотности при получении смазки 48
2.3 Обоснование рациональных параметров устройства для нагрева загущенной смазки при нанесении 54
2.4 Выводы 62
3 Обоснование противокоррозионной защиты рабочих органов почвообрабатывающей техники
3.1 Методики исследований параметров
противокоррозионной защиты 64
3.2 Анализ последствий коррозионных процессов на почвообрабатывающей технике 69
3.3 Коррозионная стойкость стали в коррозионно-активных эксплуатационных средах з
3.4 Результаты электрохимических измерений потенциала коррозии консервационных смазок 76
3.5 Атмосферостойкость консервационных покрытий 78
3.6 Выводы 82
4 Обоснование технологических процессов приготовления и нанесения загущенных смазок
4.1 Методики экспериментальных исследований показателей технологических процессов 84
4.2 Эффективная теплоемкость компонентов загущенных смазок 93
4.3 Влияние температуры на плотность компонентов загущенных смазок 95
4.4 Изменение плотности и вязкости загущенных смазок при нагреве 99
4.5 Обоснование параметров экспериментальной установки для нагрева и смешивания компонентов загущенных смазок 101
4.6 Оценка энергетических показателей приготовления загущенной смазки в установке ОПУ-80 107
4.7 Обоснование метода оценки качества смешивания компонентов загущенной смазки 109
4.8 Обоснование параметров локальной камеры для нагрева загущенных смазок в напорном баке 112
4.9 Исследование динамики нагрева загущенной смазки в напорном баке с локальной камерой 114
4.10 Обоснование параметров устройства для управления нагревом загущенной смазки в локальной камере бака 118
4.11 Реализация результатов исследований в экспериментальной установке УЛН-2М для нанесения загущенной смазки 126
4.12 Выводы 128
5 Производственные исследования технологии и оборудования для консервации техники загущенными смазками
5.1 Методика производственных исследований 131
5.2 Результаты производственных исследований 133
5.3 Выводы и предложения 142
6 Технико-экономическая оценка реализации результатов исследования 144
Заключение 151
Список литературы
- Оценка технологий механического перемешивания компонентов при получении загущенной смазки
- Повышение эффективности процесса смешивания компонентов различной плотности при получении смазки
- Коррозионная стойкость стали в коррозионно-активных эксплуатационных средах
- Изменение плотности и вязкости загущенных смазок при нагреве
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Для реализации модели ускоренного экономического развития сельского хозяйства «Стратегия машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 года» предусматривает создание и производство почвообрабатывающей техники нового поколения. Высоких эксплуатационных показателей использования почвообрабатывающих агрегатов невозможно достичь без эффективных технологий восстановления, ремонта и технического обслуживания при хранении в межсезонный период. Необходимость в их разработке обусловлена тем, что среднероссийские издержки на поддержание техники в работоспособном состоянии составляют 12-15 % в себестоимости продукции, тогда как в зарубежной практике они не превышают 4-6 %.
Важным мероприятием, снижающим издержки, является защита рабочих органов машин от коррозионных поражений с помощью консервационных покрытий. Привлечение вторичных ресурсов для уменьшения затрат на консервацию машин связано с поиском оптимального состава консервационных материалов, выбором рациональных режимов их приготовления и нанесения. При этом простейшими по составу и технологии получения, дешевыми по стоимости являются защитные смазки, представляющие собой растворы загустителя в отработанном масле.
Решение задачи технико-технологического обеспечения противокоррозионной защиты почвообрабатывающей техники загущенными консервационными смазками из вторичных ресурсов нацеливает на создание энергоэффективных технических средств по их приготовлению и нанесению, способных надежно работать в различных эксплуатационных условиях хранения техники.
Степень разработанности темы. Система противокоррозионной защиты техники, используемой в сельском хозяйстве, сформировалась благодаря основополагающим трудам М.М. Севернева, Н.Н. Подлекарева, А.Э. Северного, Е.А. Пучина, В.И. Добрина, В.Д. Прохоренкова. Большую известность по исследованию коррозионного и коррозионно-механического изнашивания стальных деталей машин имеют работы Г.П. Каплуна, В.Е. Рязанова, В.Н. Дашкова, А.Л. Новикова, В.Ш. Сохадзе. Весомый вклад в разработку методов и средств противокоррозионной защиты сельскохозяйственной техники внесли В.И. Вигдорович, А.И. Петрашев, Л.Г. Князева, С.М. Гайдар, В.В. Быков, О.И. Голяницкий, Н.И. Агафонов, И.И. Хилько, М.Б. Латышенок, А.В. Шемякин, С.П. Соловьева и другие.
Исследования и разработки, составившие основу диссертационной работы,
выполнены в 2012 – 2015 годах в соответствии с Планом фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии по научному обеспечению развития АПК Российской Федерации на 2011-2015 годы по теме 09.04.07 «Разработать технологии, новые материалы, приборы и оборудование для хранения и эффективного использования моторного топлива и смазочных материалов», с Программой фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы в рамках темы 0648-2014-003 «Новые методы хранения и противокоррозионной защиты аграрной техники на основе ресурсосберегающих технологий, энергоэкономных технических средств и консервационных материалов из возобновляемого сырья».
В настоящее время для консервации плугов, культиваторов, дисковых борон и лущильников используют отработанные масла или бензино-битумные составы, которые наносят вручную. Научные рекомендации по приготовлению и применению загущенных смазок не востребованы из-за отсутствия технологического оборудования, адаптированного к условиям работы, связанной с хранением техники.
В данной работе предлагается технология консервации почвообрабатывающей техники, разработанная на основе использования загущенных смазок из инги-бирующих коррозию кубовых остатков нефтехимических производств и отработанных масел, применения установки для приготовления смазок с комбинированным перемешивающим устройством и установки с локальной камерой нагрева для пневматического нанесения приготовленных смазок.
Цель работы – обеспечение противокоррозионной защиты почвообрабатывающей техники при хранении путем разработки ингибированной загущенной смазки и энергоэкономных технических средств для ее приготовления и нанесения.
В соответствии с поставленной целью, изучения состояния вопроса сформулированы задачи исследования:
-
Оценить функциональные свойства ингибированных загущенных смазок на основе отработанных масел и побочных продуктов нефтехимии при защите от коррозии рабочих органов почвообрабатывающей техники;
-
Обосновать рациональные параметры установки для нагрева и смешивания компонентов при приготовлении загущенной смазки из отработанных масел и побочных продуктов нефтехимии;
3. Исследовать и обосновать конструктивно-режимные показатели мобиль
ного оборудования для энергоэкономного нагрева загущенной смазки и ее нанесе
ния на рабочие поверхности машин при пониженной температуре;
4. Провести производственные исследования технологии консервации почвообрабатывающей техники с использованием загущенной смазки, созданных технических средств, и определить технико-экономические показатели ее реализации.
Объект исследования – технологические процессы приготовления и нанесения ингибированной загущенной смазки.
Предмет исследования – функциональные свойства загущенных смазок для защиты почвообрабатывающей техники; закономерности нагрева и смешивания компонентов при приготовлении загущенных смазок из отработанных масел и побочных продуктов нефтехимии, закономерности энергоэкономного нагрева и нанесения загущенной смазки.
Научная новизна работы:
закономерности противокоррозионной защиты стали 65Г загущенными смазками на основе отработанных масел и кубовых остатков от производства аминов (присадка Эмульгин) и синтетических жирных кислот (присадка КО-СЖК);
зависимости показателей плотности, эффективной теплоемкости и вязкости присадок Эмульгин, КО-СЖК и загущенной смазки от температуры нагрева;
конструктивные и режимные параметры смесителя компонентов загущенных смазок с комбинированным перемешивающим устройством на основе листовой мешалки и шнековой ленты;
математическая модель гидростатического взаимодействия присадки и масла с учетом изменения их плотностей в процессе совместного нагрева;
- математическая модель взаимосвязи производительности пневматического
нанесения загущенной смазки с конструктивно-технологическими показателями
локальной камеры для совершенствования средств нагрева загущенной смазки при
пониженной температуре воздуха;
- метод оценки качества смешивания компонентов по условной вязкости проб
полученной смазки с верхнего и нижнего уровней резервуара смесителя;
- экспериментально-аналитические зависимости интенсивности энергоэко
номного нагрева загущенной смазки в напорном баке от объема локальной камеры,
параметров разделяющей сетки, мощности нагревателя, наличия зазора между сет
кой и стенкой бака для определения режима эффективного нанесения консерваци-
онных покрытий в условиях пониженной температуры.
Теоретическая и практическая значимость.
Теоретические исследования позволили установить взаимосвязь показателей
процессов приготовления и нанесения загущенных смазок с параметрами создаваемых технических средств и теплофизическими характеристиками используемых компонентов. Результаты теоретических исследований применяются при совершенствовании технических средств для консервации сельскохозяйственной техники в условиях пониженной температуры.
Определен диапазон рациональной концентрации присадки Эмульгин, 12-15 %, в загущенной смазке, защищающей от атмосферной коррозии почвообрабатывающие рабочие органы из стали 65Г при открытом хранении в течение 9-12 мес.
Разработаны технические средства для консервации почвообрабатывающих и других сельскохозяйственных машин при подготовке к хранению:
передвижная установка ОПУ-80 для приготовления загущенных смазок;
передвижная установка УЛН-2М для нагрева и нанесения смазок. Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2525493 на
«Устройство для нагрева защитной смазки при нанесении на сельхозмашины».
Методология и методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием методов математического моделирования процессов приготовления загущенной смазки в резервуаре смесителя и ее нагрева в локальной камере напорного бака, методов теплотехники и гидростатики при обосновании компоновки устройств для нагрева смазки и смешивания компонентов разной плотности. Экспериментальные исследования выполнялись на основе теории планирования эксперимента, стандартных и общепринятых методов, а также методик, учитывающих специфику данной работы. Использовались поверенные и калиброванные приборы, инструменты для проведения линейных, весовых, потенциостатиче-ских, электротехнических, теплотехнических измерений; а также специально изготовленные лабораторные стенды. Анализ результатов осуществлялся с привлечением статистических методов обработки экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту:
- математическая модель взаимосвязи производительности пневматического
нанесения загущенной смазки с конструктивно-технологическими показателями
локальной камеры нагрева и теплофизическими свойствами смазки;
- результаты экспериментальной оценки функциональных свойств и защитной
эффективности загущенных смазок на основе отработанных масел и побочных про
дуктов нефтехимии, ингибирующих коррозию почвообрабатывающей техники;
- результаты исследования технологического процесса приготовления загу
щенной смазки в установке с комбинированным перемешивающим устройством,
полученные при нагреве и смешивании компонентов смазки;
энергоэкономный технологический процесс ускоренного нагрева загущенной смазки в локальной камере технологической установки для нанесения консер-вационных покрытий в условиях пониженной температуры;
результаты опытно-производственной проверки и оценки эффективности применения технических средств при консервации загущенными смазками рабочих органов почвообрабатывающей техники.
Реализация результатов исследований осуществлена с участием экспериментального производства ФГБНУ ВНИИТиН - при изготовлении установки ОПУ-80 для приготовления загущенной смазки и установки УЛН-2М для ее нанесения; КПЗ им. Ленина Тамбовского района - при внедрении технологии и установок ОПУ-80, УЛН-2М для консервации техники загущенной смазкой с присадкой Эмульгин; ОАО «Знаменский сахарный завод» – филиал «Жердевский» – при внедрении технологии и установки УЛН-2М для консервации механизмов буртоукла-дочных комплексов загущенной смазкой с присадкой КО-СЖК.
Степень достоверности результатов подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями, выполненными с использованием методов математического моделирования, известных положений теплотехники, гидростатики, стандартных методик и теории планирования экспериментов. Опытные данные получены на современных поверенных приборах и аппаратах, при их обработке использованы методы математической статистики и регрессионного анализа. Результаты теоретических исследований хорошо согласуются с данными эксперимента и опытно-производственной проверки технологии консервации с применением разработанных защитных смазок и созданных технических средств.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на Международных научно-технических и научно-практических конференциях: «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции» (Тамбов, ВНИИТиН, 2013, 2015); «Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве» (Минск, НПЦ по механизации сельского хозяйства, 2013, 2014); «Инновационные технологии в производстве сельскохозяйственной продукции» (Минск, БГАТУ, 2013, 2015); «Программа модернизации инженерно-технического обслуживания АПК как основа промышленной и образовательной политики» (Москва, ГОСНИТИ, 2014); «Инновации в сельском хозяйстве» (Москва, ВИЭСХ, 2014); «Актуальные проблемы научно-технического процесса в АПК» (Ставрополь,
СтГАУ, 2015); «Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве» (Великие Луки, ВелГСХА, 2015); «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК» (Мичуринск, МичГАУ, 2015).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 28 научных работ, в том числе 8 в изданиях, рекомендованных ВАК, получен 1 патент на изобретение. Общий объем публикаций составил 13,9 печ. л., в том числе 5,2 печ. л. принадлежит лично соискателю.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 126 наименований и приложений. Работа изложена на 194 страницах, включает 154 страницы основного текста, 60 рисунков, 10 таблиц и 5 приложений.
Оценка технологий механического перемешивания компонентов при получении загущенной смазки
Состав водно-восковой защитный «Герон» представляет собой дисперсию церезина в воде с добавками поверхностно-активных веществ и ингибиторов коррозии металла [13]. Предлагается взамен ранее используемого состава ИВВС-706М. Составом «Герон» защищают от коррозии и старения узлы, детали отечественных и импортных сельхозмашин, которые используются в сельхозпредприятиях или длительное время находятся на площадках торговых баз. К таким узлам и деталям относятся рабочие органы (отвалы, диски, ножи и т.п.); приводные цепи, штоки гидроцилиндров и другие неокрашенные сборочные единицы; наружные окрашенные поверхности (облицовка, кабины, бункеры, ящики); электротехнические изделия из меди, латуни, алюминиевых сплавов (разъемы, клеммы, датчики); резинотехнические изделия (приводные ремни, пневматические шины, уплотнители) [37, 38]. Срок защитного действия покрытия при хранении на открытых площадках: 1 год для стальных и 3 года для резинотехнических изделий, расход состава 80-150 г/м2. Состав «Герон» производится ООО «Алькор 91» г. Москва.
Освоенные промышленностью пленкообразующие ингибированные составы обеспечивают защиту металла в тонком слое 0,05…0,15 мм на длительные сроки [13, 16, 32]. При этом сформировавшееся покрытие предохраняет металл от коррозии, причем на металле образуется прочный хемосорбционный подслой ингибиторов. Пленкообразующие ингибированные составы содержат полимерные смолы, парафины, воски, петролатумы, битумы, минеральные масла, ингибиторы коррозии и углеводородные растворители [13].
Специально для противокоррозионной защиты рабочих органов и рамных конструкций сельскохозяйственной техники институтом ВНИИНП совместно с ГОСНИТИ разработан пленкообразующий ингибированный нефтяной состав Ингибит-С. В нем использованы отходы Рязанского НПЗ от производства сульфонатной присадки, которые вместе с битумом, наполнителями и пластификаторами растворены в уайт-спирите. По защитной эффективности пленка состава Ингибит-С толщиной 0,05-0,08 мм не уступает зарубежным аналогам [9, 13, 16, 39]. Срок защитного действия при открытом хранении техники - до 12 мес. Наносят состав распылением, расход 220-250 г/м2. В настоящее время состав Ингибит-С не выпускается.
Состав пленкообразующий ингибированный нефтяной «Кабинор» представляет собой смесь петролатума, нефтяного битума и литиевого мыла органических кислот с вовлечением алифатических аминов, адгезионных присадок в растворе легколетучего органического растворителя [40, 41]. Состав предназначен для защиты от коррозии элементов легковых и грузовых автомобилей, объектов сельскохозяйственной техники. «Кабинор» образует на поверхности металла пленки толщиной 0,02-0,10 мм. Состав «Кабинор» производится ОАО «Нефтемаслозавод» г. Оренбург.
Возможна также консервация техники традиционными битумными составами, отличающимися сравнительно низкой стоимостью и высокой доступностью. Для получения битумных составов в хозяйствах применяют нефтяной строительный битум марки БН-IV и БН-V, а в качестве растворителя -любой неэтилированный бензин при соотношении битума и бензина от 1:1 до 1:3. С целью улучшения физико-механических и защитных свойств нанесенных битумных покрытий в состав добавляют до 2 % олифы [13, 31]. Приготовление таких составов отличается повышенной трудоемкостью. Недостатком этих составов являются их низкие защитные свойства. Под влиянием света, тепла и кислорода воздуха битумные покрытия быстро стареют и делаются хрупкими в течение 3-4 месяцев.
Модифицирование битумов полимерами резко повышает их атмосферостойкость [42]. Перспективным является использование изоатактического полипропилена (до 2 %). Введение смол и масел в битумные составы обогащает масляную фазу битумов и пластифицирует их [13], что обусловливает повышение трещиностойкости, а также атмосферостойкости. Однако при этом существенно возрастает стоимость консервации модифицированными битумными составами.
Среди разнообразных методов противокоррозионной защиты металлов консервация конструкций и машин с помощью ингибиторов (замедлителей) коррозии занимает особое место. Отличительными чертами этого метода является простота и дешевизна. В ряде случаев применение ингибиторов позволяет снизить стоимость консервационных материалов в 8-10 раз, а трудовые затраты на консервацию в 50-60 раз [13, 43, 44].
Весьма перспективно в целях наружной консервации сельхозмашин использовать отработанные масла. Повышение защитных свойств отработанных масел [13, 18, 45] осуществляется путем введения в них маслорастворимых ингибиторов коррозии [13, 46, 47] или противокоррозионных присадок. Из множества маслорастворимых ингибиторов коррозии предпочтение следует отдать присадкам, которые способствуют загущению отработанных масел. Благодаря этому повышается толщина покрытия из загущенного масла, усиливаются его изолирующая способность и защитные свойства [48, 49, 50, 51]. В качестве противокоррозионных присадок, содержащих ингибиторы коррозии и загустители, используются известные продукты промышленного производства - смазка пушечная ПВК (ОАО «Нефтемаслозавод» г. Оренбург), присадка ТВК-1 (ФГУП РНЦ «Прикладная химия» г. Санкт-Петербург), а также побочные продукты (остатки) нефтехимических производств - кубовые амины (присадка Эмульгин), кубовые остатки синтетических жирных кислот (присадки КО-ЖК, Техновит). Из них готовят двухкомпонентные загущенные консервационные смазки (отработанное масло + присадка). Состав и защитные свойства загущенных смазок подробно исследованы во многих работах [13, 18, 51, 52, 53, 54], определено эффективное содержание присадок в отработанных маслах: смазка ПВК - 25-30 %; присадка ТВК-1 - 10 %; присадки КО-СЖК и Техновит - 20-25 %; присадка Эмульгин - 10-15 %. Температура нагрева для смешивания компонентов - 70-80 оС; рабочая температура их нанесения - 40-50 оС. Расход загущенных смазок при защите 1 м2 поверхности металла - 120-200 г/м2; срок защитного действия нанесенных покрытий зависит от концентрации присадок и составляет 8-12 мес.
Исследования загущенных масел с противокоррозионными присадками, являющимися побочными продуктами отечественной нефтехимии, проводились также за рубежом, например в Республике Танзания [55]. Получены данные о том, что износ рабочих органов почвообрабатывающей техники зависел от того, как качественно была проведена их предыдущая консервация. Так, после годового хранения незащищенных дисковых борон в условиях открытой атмосферы, износ их дисков при наработке 4 га составил 4,45 мм. Если диски борон перед хранением защищали загущенной смазкой с 25 % Эмульгина, то их износ при такой же наработке снизился до 1,25 мм (в 3,5 раза). У лап культиваторов отмечено снижение износа после консервации с 15,7 до 6,8 мм при наработке 15 га.
Приведенные результаты исследований [55] подтверждают эффективность применения загущенных смазок для защиты рабочих органов почвообрабатывающей техники, однако в них не указана марка стали, из которой были изготовлены эти органы. Данные отечественных исследователей [13, 18, 52] по защитным свойствам загущенных смазок базируются на образцах из стали Ст.3 или 08кп. Не смотря на то, что получены сведения по защитным свойствам загущенных смазок, определены параметры процессов их приготовления и нанесения, необходимы подходящие (адаптированные) технические средства для успешной реализации этих процессов в условиях сельхозпредприятий.
Повышение эффективности процесса смешивания компонентов различной плотности при получении смазки
В выражении (2.9) приведена размерность затрат энергии Et - [Втс], объема приготовленной смазки Vр - [м3]. Трудоемкость ТРп (чел-ч/л) технологии подготовки загущенной смазки определим с учетом того, что работы выполняет один оператор: тр" = з Н (2 10) где tпс - длительность цикла технологического процесса приготовления консер-вационной смазки, с. Противокоррозионные свойства готовой к применению загущенной смазки должны обеспечивать длительность U защиты не менее периода tх хранения техники: t3 tx. (2.11) Между техническим уровнем средств консервации и структурой технологического процесса, для которого они создаются, формируется двухсторонняя взаимная связь, одновременно прямая и обратная [13]. С одной стороны, разрабатываемая модель технологического процесса предъявляет к техническим средствам консервации определенные требования. С другой стороны, технические средства накладывают своеобразные ограничения на структуру и динамику процесса, определяют уровень его эффективности [13, 80, 85].
Рациональный технологический процесс приготовления и нанесения загущенной смазки предусматривает согласованное функционирование смесительного устройства и установки для ее нанесения, которое должно быть реализовано на уровне эффективного использования ресурсов, имеющихся в хозяйстве. При этом смесительное устройство для подготовки загущенной консервационной смазки целесообразно использовать на стационаре, а установки для ее нанесения - на площадках хранения машин. Для того чтобы разрабатываемый технологический процесс консервации почвообрабатывающей техники загущенной смазкой стал эффективным, необходимо: - разработать состав консервационной смазки, обеспечивающей требуе мый уровень противокоррозионной защиты техники в период длительного хра нения; - использовать доступные и дешевые компоненты в составе консервацион ной смазки; - создать энергоэффективное оборудование для получения и нанесения консервационной смазки, соответствующее условиям использования в неблаго приятных погодных условиях постановки аграрной техники на хранение. Благодаря этим мерам возможно сохранить на исходном уровне параметры работоспособного состояния сельхозмашин при воздействии на них коррози-онно-агрессивных факторов окружающей среды в период длительного неиспользования.
Процесс получения консервационной смазки для защиты рабочих органов почвообрабатывающей техники заключается в совместном нагреве твердых и жидких компонентов до температуры, которая превышает температуру плавления твердого компонента, а затем в их перемешивании до получения гомогенного вещества. При разработке перемешивающего устройства важно знать соотношение плотностей компонентов и закономерности их изменения в процессе нагрева.
Рассмотрим вертикальный резервуар, в котором нагревают и смешивают компоненты при приготовлении консервационной смазки. В качестве жидкого компонента может быть использовано отработанное масло, а в качестве твердых компонентов - загущающие противокоррозионные присадки, плотность которых при нормальной температуре выше плотности масла. При введении в масло они погружаются на дно бака. В процессе нагрева температура твердой присадки достигает точки начала плавления - Тн, присадка размягчается, в течение температурного интервала Л Тп она плавится и переходит в жидкое состояние.
При плавлении присадки ее плотность п снижается: Рп = Рп.н.[1-Рп(Т-Ти)], (2.12) где п.н - плотность присадки при температуре Тн, кг/м3; п - температурный коэффициент изменения плотности присадки в интервале АГп , оС-1; Т - температура присадки в интервале Л Тп, оС. Плотность м отработанного масла при нагреве также снижается: Рм = Рм.н.[1 " Рм(Т " Ти)], (2.13) где м.н - плотность масла при температуре Тн, кг/м3; м - температурный коэффициент изменения плотности масла, оС-1. В процессе плавления присадки ее плотность п может сравняться с плотностью м отработанного масла (п = м). Приравняв выражения (2.12) и (2.13), найдем температуру Тс, при которой плотности (п, м) масла и присадки сравняются: т т Рп.н. - Рм.н. Тс = Тм + Р,»к-РМж (2Л4) При дальнейшем повышении температуры (Т Тс) плотность присадки может оказаться ниже плотности отработанного масла (п м), и она всплывет. Представим, что плавящаяся присадка - высоковязкая жидкость в форме куба высотой z (рисунок 2.2), удерживаемого одномоментно на глубине Н от свободной поверхности. Силой, одномоментно удерживающей нагретую присадку, может быть сила вязкого трения масла или сила адгезии к боковой стенке, или сила реакции со стороны механического препятствия.
Коррозионная стойкость стали в коррозионно-активных эксплуатационных средах
Исследование последствий коррозионных поражений почвообрабатывающей техники проводилось в секторах хранения КПЗ им. Ленина Тамбовского района. В хозяйстве имеется 2 сектора хранения, которые располагаются на площадках, прилегающих к центральной ремонтной мастерской и к полевому стану. Сектор хранения у центральной ремонтной мастерской (сектор №1) оснащен электрораспределительными устройствами, позволяющими подключать электрифицированное ремонтно-технологическое оборудование. В секторе хранения на полевом стане (сектор № 2) возможно применять технологическое оборудование с механическим приводом от ВОМ трактора.
Техника в хозяйстве используется по назначению в различные агротехнические сроки с апреля по ноябрь. Работы по постановке почвообрабатывающей техники на хранение проводятся механизаторами после завершения работ, связанных с уборкой урожая и вспашкой зяби. Ответственным за организацию хранения техники в секторе № 1 является заведующий ремонтной мастерской, в секторе № 2 – механик хозяйства. После выхода техники с поля рабочие органы, загрязненные почвой и растительными остатками, очищают и моют (в секторе № 1) или только очищают (в секторе № 2). В ожидании консервации рабочие органы некоторых почвообрабатывающих орудий находятся в течение 2 – 3 месяцев, подвергаясь коррозионно-активному воздействию атмосферных осадков, растительных и почвенных остатков, кислорода воздуха. Мероприятия по постановке техники на кратковременное хранение сроком от 10 дней до 2-х месяцев, как требует ГОСТ 7751-2009 [6], не проводятся.
При подготовке техники к длительному хранению рабочие органы, взаимодействующие с почвой (лапы культиваторов, диски борон и лущильников, сошники сеялок, лемеха и отвалы плугов), смазывают отработанным маслом, а на металлические поверхности с истертыми лакокрасочными покрытиями наносят бензино-битумный состав. Хранят почвообрабатывающую технику на открытых площадках с твердым покрытием.
На рисунке 3.4а показана фотография 8-ми корпусного импортного плуга осенью, его отвалы и лемеха были покрыты отработанным маслом. На рисунке 3.4б фотография того же плуга, выполненная весной после хранения в течение 6 месяцев. На рисунке 3.5 показаны результаты хранения 5-ти корпусного плуга без консервации. Сравнивая состояние поверхностей отвалов обоих плугов весной, отмечаем, что защитный эффект от применения отработанного масла практически равен нулю.
Хранение рабочих органов 5-ти корпусного плуга без консервации Аналогичные результаты получены при консервации отработанным маслом дисковых борон и лап культиваторов. Рабочие органы этих машин и орудий подвергались коррозионным поражениям еще до обработки маслом (рисунок 3.6). Активно протекают коррозионные процессы на загрязненных поверхностях деталей. Остатки почвы, жнивья, удобрений адсорбируют влагу и образуют очаги коррозии в местах их контакта с металлом. При длительном ожидании работ по консервации, происходит интенсивная коррозия загрязненных деталей. Коррозионные поражения, в первую очередь, появляются на тех поверхностях деталей, у которых разрушен слой окраски из-за механического повреждения, а также вследствие нарушения правил постановки машин на хранение [13].
Наиболее опасна коррозия для деталей, работающих при циклических или ударных нагрузках (пружинные лапы культиваторов, стойки, рамы, валы и т.д.). Срок службы деталей из-за усталостных разрушений сокращается на 40-60% [8]. При анализе изломов таких деталей установлено, что началом для многих разрушений послужили язвы и питтинги от коррозии. Коррозионные поражения деталей машин, полученные в период хранения, усугубляют их изнашивание при пусках в работу после хранения. Это происходит из-за невыполнения пользователем техники правил противокоррозионной защиты в нерабочий период. При некачественной защите долговечность некоторых деталей снижается в 1,5-3 раза, а другие детали полностью утрачивают свой ресурс и выбраковываются при ремонте [13, 102, 103].
Наблюдениями установлено, что при пуске в работу после некачественного хранения ржавая поверхность рабочего органа в течение некоторого времени удерживает слой почвы, например на отвале плуга. При работе происходит трение почвы о почву. Так как коэффициент трения между частицами почвы выше, чем между почвой и металлической поверхностью [104], то возрастает величина тягового сопротивления почвообрабатывающего орудия. Это приводит к увеличению тягового усилия со стороны агрегатирующего трактора, повышенному расходу топлива и росту силовых нагрузок на конструкцию почвообрабатывающего орудия.
Из-за коррозии, с одной стороны, снижается прочность деталей, а с другой стороны, увеличиваются силовые нагрузки на них в процессе эксплуатации. В результате происходит деформация и частичное разрушение конструкционных элементов почвообрабатывающих орудий, устраняемое путем проведения сварочных работ (рисунок 3.7).
Таким образом, невыполнение требований стандарта по подготовке почвообрабатывающей техники к длительному хранению, использование некачественных консервационных материалов ухудшает работоспособность машин, приводит к снижению их показателей безотказности и долговечности в процессе последующей эксплуатации. 3.3 Коррозионная стойкость стали в коррозионно-активных эксплуатационных средах
В процессе использования почвообрабатывающей техники по назначению защитные покрытия на новых рабочих органах быстро изнашиваются от контакта с почвой. Так как в качестве конструкционных материалов для рабочих органов применяются углеродистые стали, то по окончании сезона эксплуатации их открытые металлические поверхности подвергаются воздействию агрессивных факторов окружающей среды и корродируют.
Сварные рамы почвообрабатывающей техники изготавливают из низколегированной конструкционной стали, например марки 09Г2С, а рабочие органы (лапы культиваторов, диски борон, лущильников и сошников) - из конструкционной рессорно-пружинной стали 65Г. Некоторые отвалы для плугов изготавливают по ГОСТ 6765-75 [105] из трехслойного металла, имеющего твердые поверхностные слои из стали 65Г и мягкий внутренний слой из стали Ст2.
Так как основные исследования защитных свойств консервационных покрытий проводят на образцах из малоуглеродистых сталей марок 08кп или Ст3, то уместно дать сравнительную оценку коррозионной стойкости стали 65Г и малоуглеродистой стали, например Ст3.
Сравнительные испытания коррозионной стойкости сталей включали 2 серии опытов. В 1-ой серии - использовали 2 поддона с почвой, в которую на 0,5 высоты погружали шлифованные пластины из сталей 65Г и Ст3, затем почву увлажняли дистиллированной водой. Один поддон размещали на открытой площадке, другой - под навесом, длительность испытаний составила 130 суток (рисунок 3.8). Во 2-ой серии опытов пластины помещали в стакан с 3 % водным раствором поваренной соли (0,5 М раствор NaCl), испытания проводились в лаборатории, длительность - 30 суток
Изменение плотности и вязкости загущенных смазок при нагреве
Для обоснования параметров локальной камеры нагрева загущенных смазок проведены исследования с использованием теории планирования эксперимента. Исследования включали 2 серии опытов по установлению степени влияния конструкционно-технологических факторов на интенсивность нагрева смазки в локальной камере напорного бака. Результаты экспериментальных исследований, их статистическая обработка, а также расчеты, подтверждающие адекватность полученных моделей и значимость коэффициентов, приведены в приложении А. Смазку готовили путем смешивания масла моторного отработанного (сокращенно ММО) с противокоррозионной присадкой Эмульгин при температуре 70-80 оС.
В 1-ой серии экспериментов исследовали нагрев густой защитной смазки массой 15 кг (17 л), содержащей 20% Эмульгина и 80% ММО. Температуру смазки в камере нагрева измеряли вблизи стенки бака под кольцом, на котором была закреплена сетка (см. рисунок 4.4). В результате обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии для интенсивности Y1 нагрева густой смазки с подтвержденной адекватностью: Y1 = 1,18 + 0,37Х1 - 0,28Х2 - 0,1Х3 - 0,04Х4 . (4.4) Из него следует, что на интенсивность Y1 нагрева густой смазки наряду с мощностью Х1 нагревателя и величиной локального объема Х2 существенное влияние оказывает зазор Х3 между стенкой бака и сеткой. Подтверждена значимость коэффициентов при указанных факторах.
В тоже время оказался незначимым коэффициент (-0,04) при факторе Х4, характеризующем влияние параметров разделительной сетки на интенсивность нагрева. По-видимому, при нагреве густых структурированных смазок важным является наличие разделительной сетки, а не параметры ее ячеек в границах исследуемого интервала: 0,64-4,25 мм2. С учетом изложенного уточним адекватную математическую модель процесса нагрева густой смазки, в которой все коэффициенты значимы: Y1 = 1,18 + 0,37Х1 - 0,28Х2 - 0,1Х3. (4.5) Из уравнения регрессии (4.5) определим максимальную и минимальную величину интенсивности нагрева: Imax = 1,93 оС /мин; Imin = 0,43 оС /мин. Максимальная величина интенсивности нагрева обеспечивается при следующих параметрах локальной камеры: мощность нагревателя - 0,56 кВт; объем камеры - 3,5 л; зазор - отсутствует. В такой камере в течение 15 мин температура густой смазки повышается на 29 оС.
Если мощность нагревателя оставить прежней - 0,56 кВт, а объем камеры увеличить до 7 л и создать зазор - 5 мм, то интенсивность нагрева снизится до 1,17 оС /мин. При таких параметрах камеры время нагрева смазки на те же 29 оС возрастет до 25 мин, т.е. в 1,7 раза.
Вторую серию экспериментов проводили на загущенной смазке массой 15 кг (15 л), содержащей 10% Эмульгина и 90% ММО. После обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии для интенсивности нагрева загущенной смазки с подтвержденной адекватностью и значимостью всех коэффициентов: Y2 = 1,08 + 0,34Х1 - 0,24Х2 - 0,14Х3 - 0,08Х4 . (4.6) В исследуемом интервале варьирования факторов параметры ячеек сетки значимо влияют на интенсивность нагрева загущенной смазки в локальной камере. Поэтому при использовании менее вязких смазок необходимо применять разделяющую сетку с меньшими размерами ячеек.
Из уравнения регрессии (4.6) максимальная величина интенсивности нагрева загущенной смазки: Imax = 1,88 оС/мин, а минимальная - Imin = 0,28 оС/мин. Сравнивая уравнения (4.6) и (4.5), приходим к выводу, что при снижении густоты смазки снижается и интенсивность ее разогрева в локальной камере напорного бака. Это указывает на возрастание теплопереноса из локальной камеры в надка-мерную полость бака при снижении концентрации присадки.
Опыты по исследованию динамики нагрева загущенной смазки проводили в напорном баке вместимостью 20 л с объемом загрузки бака – 17 л (15 кг). Исследовали влияние сетки на нагрев смазки в надкамерной полости при условии постоянного перемешивания; мощность нагревателя - 0,34 кВт, объем локальной камеры - 3,5 л. Постоянно перемешивая смазку, измеряли температуру на глубине 2 см от уровня свободной поверхности. Первую серию опытов провели без разделительной сетки: за 38 мин температура смазки в надкамерной полости увеличилась на 15 оС. Вторую серию опытов провели с разделительной сеткой, установленной с зазором 5 мм от стенки бака: температура смазки в над-камерной полости увеличилась на 15 оС за 43 мин работы нагревателя. Замедление темпа нагрева смазки при наличии разделяющей сетки, составившее 5 мин., связано с ее ограничением массопереносу нагретой смазки из локальной камеры в надкамерную полость.
Исследовано влияние зазора между сеткой и стенкой бака на динамику изменения температуры верхнего слоя смазки в локальной камере по центру и на периферии у стенки. При отсутствии зазора температура смазки в центре и на периферии локальной камеры изменяется практически одинаково. При наличии зазора между сеткой и стенкой бака, задержка нагрева смазки в центре камеры составляет 6 - 8 мин. Более динамичный рост температуры смазки на периферии сетки связан с тем, что нагретая смазка перемещается по локальной камере к зазору, через который она вытесняется из камеры в надкамерную полость. При этом холодная смазка входит в локальную камеру через сетку по центру бака.
Для уточнения схемы тепломассопереноса измеряли температуру нагреваемой смазки (рисунок 4.19) в баке без сетки (кривые 1 и 1ц), при размещении сетки с зазором (кривые 2 и 2ц) и без зазора (кривые 3 и 3ц). Измерения проводили в 2-х точках надкамерной полости у стенки (кривые 1, 2, 3) и в центре бака (кривые 1ц, 2ц, 3ц) на глубине 2 см от уровня свободной поверхности, при этом смазку не перемешивали. Мощность нагревателя - 0,7 кВт.
Анализ графиков показывает, что при нагреве без сетки горячая смазка выходит на свободную поверхность по центру бака, а холодная смазка опускается к днищу ближе к периферии бака. При наличии сетки нагретая смазка вдоль стенки поднимается вверх, где перемещается к центру бака на место холодной смазки, которая в это время опускается в камеру нагрева. Задержка с выходом нагретой смазки на уровень свободной поверхности составила 15-30 мин с момента включения нагревателя. Данный факт указывает на существование в баке капсулы с малоподвижной нагретой смазкой, окруженной массой холодной смазки [97]. Сопротивление вертикальному перемещению горячей смазки на уровень свободной поверхности обусловлено реологическими свойствами структуры холодной загущенной смазки.
Изменение температуры Т смазки по центру бака в зависимости от расстояния Н над разделительной сеткой и длительности нагрева
Изучена динамика изменения температуры в надкамерной полости по центру бака на различном удалении от сетки, установленной с зазором 5 мм; мощность нагревателя – 0,34 кВт. Из рисунка 4.20 видно, что после 50 мин работы нагревателя температура верхнего слоя на удалении 24 см от сетки повысилась на 26 оС, температура нижнего слоя, прилегающего к сетке, повысилась на 10 оС, а средний слой остался холодным – его температура не изменилась.