Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Конструктивные особенности и характерные неисправности гидравлических насосов 8
1.2. Существующие способы восстановления деталей шестеренных насосов 21
1.3. Физические основы и сущность реализации процесса электроискровой обработки 38
1.4. Цели и задачи исследования 44
2. Теоретические предпосылки к созданию технологии ремонта насоса, восстановлением и упрочнением поверхностей электроискровой обработкой 46
2.1. Исследования закономерности подачи и утечек жидкости в шестеренном насосе 46
2.2. Факторный анализ влияния зазоров на производительность оценкой точности составляющих и замыкающих звеньев технологических и динамических размерных цепей насоса 56
2.3. Оценка нагрузок, действующих на подшипниковые соединения шестеренного насоса 63
2.4. Оптимизация режимов ЭИО при восстановлении деталей типа тела вращения 67
3. Методические основы экспериментальных исследований 74
3.1. Программа исследований 74
3.2. Методика проведения входного стендового контроля работоспособности шестеренных насосов 75
3.3. Методика микрометражных исследований и обработки экспериментальных данных 77
3.4. Методика выбора рациональных режимов электроискровой обработки 84
3.5. Методика многофакторного эксперимента по определению влияния технологических режимов ЭИО на толщину и качество нанесённых слоев 89
3.6. Методика металлографического анализа модельных образцов 100
3.7. Методика определения прочности сцепления нанесенных слоев с основой 102
3.8. Методикатриботехнических испытаний прецизионных пар трения насоса 105
3.9. Методика эксплуатационных испытаний восстановленных насосов 109
4. Результаты экспериментальных исследований 115
4.1. Результаты входного стендового контроля работоспособности насосов и первичной дефектации 115
4.2. Исследование параметров и законов распределения износов и зазоров 118
4.3. Результаты расчёта составляющих и замыкающих звеньев динамических и технологических размерных цепей насоса 127
4.4. Обоснование необходимой толщины слоя металлопокрытия 133
4.5. Результаты выбора рациональных технологических режимов электроискровой обработки 137
4.6. Результаты металлографических исследований 155
4.7. Результаты испытаний на прочность сцепления нанесенных слоев с основой 163
4.8. Результаты триботехнических испытаний 164
4.9. Результаты эксплуатационных испытаний восстановленных шестеренных насосов 172
5. Разработка технологического процесса восстановления насоса и оценка его экономической эффективности 173
5.1: Технологический процесс восстановления шестеренного насоса методом ЭИО 173
5.2. Расчет экономической эффективности разработанного технологического процесса 179
Общие выводы 184
Список использованных источников 186
Приложения 196
- Существующие способы восстановления деталей шестеренных насосов
- Факторный анализ влияния зазоров на производительность оценкой точности составляющих и замыкающих звеньев технологических и динамических размерных цепей насоса
- Методика проведения входного стендового контроля работоспособности шестеренных насосов
- Исследование параметров и законов распределения износов и зазоров
Введение к работе
Одним из технических средств повышения производительности сельскохозяйственной техники является применение гидравлического привода, источником энергии которого является насос. Известно, что ресурс овальных шестеренных насосов значительно меньше межремонтного ресурса других агрегатов гидросистемы из-за низкой износостойкости рабочих поверхностей деталей, образующих прецизионные пары трения. Поэтому ежегодно выбраковываются и отправляются в металлолом более 80 тысяч овальных насосов типа НШ-У, стоимостью не менее 120 миллионов рублей и около 300 тысяч ремонтируются различными методами.
Средний ресурс отремонтированных шестеренных насосов составляет не более 50% ресурса нового насоса. В связи с этим, поиск нового технологического решения для восстановления параметров изношенных поверхностей и повышения износостойкости соединений деталей насосов за счет улучшения физико-механических свойств рабочих поверхностей является актуальной задачей ремонтного производства.
Опыт ремонта гидрораспределителей и роторных насосов [33, 37, 54] показывает, что для восстановления размеров изношенных деталей овальных шестеренных насосов могут быть успешно применены методы электроискровой обработки (ЭИО) - электроискровая наплавка и упрочнение.
Цель исследования - разработка и внедрение новой технологии ремонта насосов типа НШ-У на основе восстановления и упрочнения деталей электроискровой обработкой, обеспечивающей повышение долговечности сборочной единицы не менее чем в 1,2-1,5 раза и сокращение доли выбраковываемых агрегатов не менее чем на 30%.
Объект исследования - новые, изношенные и восстановленные шестеренные насосы НШ-50У гидросистем тракторов, сельскохозяйственных и других машин.
6 На защиту выносятся:
результаты оценки точности составляющих и замыкающих звеньев технологических и динамических размерных цепей насоса;
результаты стендовых испытаний, новых, бывших в эксплуатации и отремонтированных, с восстановлением размеров изношенных поверхностей электроискровой обработкой, насосов;
закономерности износа рабочих поверхностей прецизионных пар трения и образования зазоров в них;
математические модели связи толщины и твёрдости слоя металлопокрытия от режимов ЭИО;
результаты экспериментальных исследований физико-механических и триботехнических свойств покрытий полученных ЭИО;
технологический процесс восстановления насоса типа НШ-У с применением ЭИО.
Научная новизна работы:
проведена оценка точности составляющих и замыкающих звеньев технологических и динамических размерных цепей насоса, которая позволила установить звенья, износ которых в большей степени влияет на работоспособность и долговечность агрегата;
выявлены закономерности износа рабочих поверхностей прецизионных пар трения и образования зазоров в соединениях деталей;
- теоретически обоснованы необходимая толщина и физико-
механические свойства электроискровых покрытий при восстановлении из
ношенных деталей;
Методика исследований. Теоретические исследования выполнены на основе положений, законов и методов математического анализа, теории размерных цепей, гидравлики, триботехники. Обоснование режимов электроискровой обработки при восстановлении и упрочнении изношенных деталей проводилось как по известным, так и разработанным оригинальным методикам. Обработка результатов исследований проведена с использованием методов математической статистики.
Практическая значимость работы заключается в разработке и внедрении нового технологического процесса ремонта шестеренного насоса типа НШ-У гидросистем тракторов, сельскохозяйственных и других машин восстановлением и упрочнением изношенных поверхностей методом ЭИО.
Реализация результатов исследования. Разработанный технологический процесс внедрен в Учебно-научно-производственном центре МГУ имени Н. П. Огарева. Технологическая документация передана ГОСНИТИ. Результаты исследований внедрены в учебный процесс МГУ имени Н. П. Огарева.
Апробация. Основные положения и результаты работы были доложены на Международной научно-технической конференции «Новые методы ремонта и восстановления деталей сельскохозяйственных машин» (г. Саранск, 2001 г); Всероссийской научно-технической конференции «Организационные, философские и технические проблемы современных машиностроительных производств» (г. Рузаевка, 2001 г); Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии, средства механизации и технического обслуживания в АПК» (г. Саранск, 2002 г); Огарёвских чтениях Мордовского госуниверситета (г. Саранск, 2002 - 2003 г.г); на расширенном заседании кафедры механизации переработки сельскохозяйственной продукции ИМЭ МГУ имени Н.П. Огарева и на секции восстановления и упрочнения деталей ГОСНИТИ.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 7 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 195 страницах машинописного текста, включает 63 рисунка и 20 таблиц, список литературы содержит 107 наименований.
Автор выражает благодарность за оказанные консультации заведующему лабораторией №11 ГОСНИТИ, профессору Бурумкулову Ф.Х., и доценту кафедры технического сервиса машин Ионову П.А.
Существующие способы восстановления деталей шестеренных насосов
Основные дефекты деталей насосов типа НШ-У представлены в таблице 1.2; [83] В ремонтной практике существуют самые различные способы восстановления и ремонта деталей насосов гидросистем (рис. 1.4), которые нашли отражение в работах целого ряда авторов. [3,6,8,9,11,12,18,51,52,56,70,83,103] Рассмотрим их более подробно. Восстановление корпусов.
Корпус гидронасосов типа НШ-У изготовлен из алюминиевого сплава АЛ-11 или АЛ-9 литьём в кокиль. При изготовлении его подвергают термообработке для достижения твёрдости НВ 76...107. [83,103]
Корпус подлежит выбраковке при наличии трещин, глубоких забоин на привалочных плоскостях, износа буртика проточки под уплотнительное кольцо.
Один из методов ремонта насоса - смещение шестерен. [3,9,11,83] В этом случае колодцы растачивают на увеличенный размер с обеспечением допусков, рекомендуемых заводом-изготовителем. В подшипниках с увеличенным по наружному диаметру размером эксцентрично растачивают отверстия под цапфы шестерен.
При этом зубья шестерен при работе насоса касаются стенок корпуса за счет смещения в подшипнике, разделяя всасывающую и нагнетательную полости.
Широкое применение для восстановления корпуса нашел метод пластического деформирования (обжатие). [8,12,83,103] Обжатие проводят в специальной прессформе на гидравлическом 100-тонном прессе П-474А. Усилие прилагается по всей поверхности корпуса, деформация ограничивается специальным стержнем, установленным в нём, имеющим форму колодцев и уменьшенный размер.
Восстановление корпусов обжатием производится в такой последовательности. Очищенную деталь загружают в печь и выдерживают в ней при температуре 470...490 С в течении 30...35 мин. Нагретый корпус закладывают в пресс - форму и обжимают в течении 10...15 с. Обжатие должно быть завершено при температуре не ниже 430 С. После обжатия корпус помещают в печь и выдерживают в течение 30 минут при температуре 520...535 С, а затем закаливают в воде температурой 60...80 С. Закаленный корпус подвергают отпуску при температуре 170...180 С в течение 4...6 часов с последующим охлаждением на воздухе. Зачищают привалочные плоскости под крышку и муфты на плите с абразивной шкуркой. Специальной фрезой формируют канавку под уплотнительную манжету. Отверстия приемной и напорной полостей рассверливают.[83]
При восстановлении корпусов пластическим деформированием с последующей расточкой получают дополнительные три ремонтных размера по диаметру. Уменьшение межцентрового расстояния между колодцами позволяет компенсировать потерю рабочего объема, вызванного уменьшением размера шестерен по наружному диаметру.
На ряде ремонтных предприятий корпуса восстанавливают гильзовани-ем, нанесением состава на основе эпоксидной смолы, жидкой штамповкой. [8,18,83,99] Ремонт корпуса насоса типа НШ-У гильзованием осуществляется следующим образом. Внутреннюю поверхность колодцев растачивают под увеличенный размер. На обезжиренные поверхности гильз и корпуса наносят эпоксидный клеевой состав и запрессовывают гильзу. Затем в течение двух часов корпус высушивается в сушильном шкафу при температуре 180...220 С. [83]
Восстановление корпуса нанесением состава на основе эпоксидной смолы состоит в следующем. На тщательно обезжиренные поверхности колодцев шпателем наносится слой эпоксидного клеевого состава, который при температуре 18...20 С выдерживают в течении 1...2 ч, а затем еще 2 ч в сушильном шкафу при температуре 120...220 С. Для восстановления применяется следующий клеевой состав: 100 вес. ч. смолы ЭД-6, 20 вес. ч. алюминиевой пудры (или 160 вес. ч. железного порошка), 15 вес. ч. дибутилфтала-та. Перед применением в композицию дополнительно вводят отвердитель. [18]
Механическая обработка корпуса сводится к обработке привалочной плоскости и расточке колодцев корпуса под ремонтный размер.
Технологический процесс восстановления: корпуса жидкой штамповкой включает следующие операции: - расточка корпуса перед заливкой на фрезерном станке 6М82; - жидкая штамповка сплавом алюминия в корпусе специальным приспособлением на прессе усилием 100 т; - механическая обработка корпуса после штамповки.
Факторный анализ влияния зазоров на производительность оценкой точности составляющих и замыкающих звеньев технологических и динамических размерных цепей насоса
На работу насоса непосредственное влияние оказывает точность размеров ряда деталей, которые являются звеньями соответствующих размерных цепей. Причем в процессе эксплуатации сборочной единицы начальная точность деталей и соединений, полученная на стадии изготовления или ремонта сборочной единицы, в силу износных, силовых, температурных, временных и других факторов, снижается.
При проведении точностных расчетов на стадии проектирования технологического процесса ремонта гидроагрегата необходимо обеспечить допустимое значение замыкающих звеньев его размерных цепей, обеспечивающих наивысшую долговечность отремонтированной сборочной единицы.
При этом встает задача корректировки значений составляющих звеньев, в первую очередь за счет ужесточения их допусков.
Как доказано выше, основное ресурсолимитирующее соединение насоса - «корпус - шестерня», зазор, между деталями которого является замыкающим звеном размерной цепи. Составляющие её звенья, то есть радиусы шестерни, колодца корпуса, цапфы шестерни, радиус отверстия подшипника, зазор в соединении «цапфа шестерни - подшипник» имеют различную степень влияния на замыкающее звено размерной цепи, поэтому появляется необходимость определения очередности их корректировки. К тому же существует необходимость определения наименее долговечных поверхностей деталей с последующей разработкой стратегии их ремонта и технологических мероприятий, позволяющих повысить долговечность всей сборочной единицы.
Таким образом, мы имеем два важнейших аспекта - конструкторский и технологический, позволяющих решить единую задачу - повышение параметрической надежности отремонтированных гидроагрегатов. В большинстве случаев в процессе ремонта нет необходимости восстанавливать все размеры деталей, входящие в размерную цепь насоса. Как правило, можно выбрать одно или два звена, за счет изменения размеров которых удается восстановить точность замыкающего звена размерной цепи.
Рассчитывая погрешность составляющих и замыкающего звеньев, определяем допуски и координаты их середины для технологической размерной цепи, и поля рассеивания и координаты их середины для динамических размерных цепей.
При вероятностном методе расчета допуск замыкающего звена технологической размерной цепи, являющийся случайной составляющей его общей погрешности, определяется зависимостью: [62] где Kz, AT, - коэффициенты относительного рассеивания значений соответственно замыкающего и / -го составляющего звеньев размерной цепи; , - передаточное отношение / -го составляющего звена; 7}- допуск / -го составляющего звена, мм. Систематическая погрешность замыкающего звена размерной цепи определяется через координату середины поля допуска данного звена, которая равна: [62] где As - координата середины поля допуска замыкающего звена технологической размерной цепи, мм; А, - координата середины поля допуска / -го составляющего звена размерной цепи, мм; оц, - коэффициент относительной асимметрии кривой распределения размеров / -го составляющего звена; ах- коэффициент относительной асимметрии кривой распределения размеров замыкающего звена. Коэффициент относительной асимметрии кривой распределения значений замыкающего звена определится по формуле: [62]
По аналогии с вышеизложенным поле рассеивания a z замыкающего звена динамической размерной цепи, являющееся следствием изменения размеров деталей под действием эксплуатационных факторов, будет равно: где К , Км:- соответственно, коэффициенты относительного рассеивания замыкающего и /-го составляющего звена динамической размерной цепи; (ОІ- поле рассеивания размера / - го составляющего звена, мм; » - передаточное отношение і - го составляющего звена.
Координата середины поля рассеивания замыкающего звена A определится следующим образом: [62]
Кроме приведенных выше параметров при расчете размерных цепей определяем предельные отклонения замыкающих звеньев. Причем верхнее предельное отклонение размера замыкающих звеньев технологической и динамической размерных цепей будет зависеть как от величины рассеивания размеров составляющих звеньев, так и от координаты середины поля рассеивания, то есть данный параметр обобщает в себе случайные и систематические погрешности, возникающие в процессе изготовления (восстановления) насоса и при его дальнейшей эксплуатации.
В общем виде для технологической размерной цепи верхнее предельное отклонение замыкающего звена Sz с учетом (2.21) и (2.22) будет равно:
Соответственно для динамической размерной цепи координата середины поля рассеивания замыкающего звена определится с учетом (2.24) и (2.25) зависимостью:
Координата середины поля допуска /-го звена технологической размерной цепи определяется по известной зависимости [62]: где Si, Ji - соответственно, верхнее и нижнее предельное отклонение размера і-го составляющего звена, мм. Координата середины поля рассеивания /-го составляющего звена динамической размерной цепи определяется на основе параметров распределения размеров деталей, полученных в результате микрометражных исследований их технического состояния по формуле, мм:
А . = M(X)t - 0.5 аы со,, (2.28) где М(Х)І- математическое ожидание размера і-го составляющего звена динамической размерной цепи. Для определения степени влияния погрешностей составляющих звеньев на суммарную погрешность замыкающего звена через верхнее предельное отклонение его размера воспользуемся подходом, предложенным в работе [62]. Рассмотрим вначале технологическую размерную цепь. Представим выражение (2.21) в следующем виде:
Распишем выражение (2.26) с учетом параметров каждого составляющего звена размерной цепи:
Каждое слагаемое в правой части представляет собой долю суммарной погрешности (коэффициент весомости), вносимой каждым составляющим звеном в верхнее предельное отклонение замыкающего звена технологической размерной цепи.
По аналогии запишем уравнение точностного баланса для динамической размерной цепи
В основу ранжирования составляющих звеньев положен принцип Па-рето. Вначале определяются коэффициенты весомости каждого составляющего звена размерной цепи, и производится их перегруппировка в соответствии с их убыванием. На основе полученного ряда строится кумулятивная кривая. На оси абсцисс указываются номера составляющих звеньев в порядке, определенным величиной критерия (коэффициентом весомости), а на оси ординат - собственные значения этого показателя по кумулятивному проценту.
Критерием выбора номенклатуры составляющих звеньев, вносящих доминирующий вклад в суммарную погрешность замыкающего звена размерной цепи (точка излома кумулятивной кривой), служит требование: величина приращения коэффициента весомости очередного составляющего звена, расположенного в ранжированном ряду, должна быть больше значения средней величины приращения весомости всех составляющих звеньев, т.е. [62] соответственно, значение коэффициента весомости составляющего звена, находящегося нау +/-м иу -м месте ранжированного ряда;
Методика проведения входного стендового контроля работоспособности шестеренных насосов
Для определения рабочих параметров шестеренных насосов гидросистем тракторов, поступивших на ремонт в Учебно - научно - производственный центр при Мордовском государственном университете, партия насосов типа НШ-У подвергалась входному стендовому контролю.
Количество («) объектов, которое дает необходимую точность исследований, при заданной доверительной вероятности а = 0,95 и относительной ошибке є = 0,15, определяли из выражения [107]: где ta - коэффициент Стьюдента, , V- коэффициент вариации (ожидаемое значение коэффициента вариации равно 0,3). При а = 0,95 и -f= = —= -г-- = 0,5 , по таблице 12.2 [107], находим, ып v о,з что п—Ы. Таким образом, для исследований необходимо взять не менее 57 агрегатов. Нами была взята партия гидронасосов в количестве 60 штук, что позволило получить более достоверные данные. Входной стендовый контроль проводился на стенде для испытания гидроаппаратуры КИ-4815М, гидравлическая схема которого представлена нарис. 3.1. ТУ 38-101-719-78 с вязкостью 60 - 70 10"6 м2/с. Рабочая температура масла составляла 50 ± 5 С. Для проведения входного контроля все насосы устанавливались на стенд, предварительно подвергнувшись внешнему осмотру на наличие трещин в корпусе, при обнаружении которых агрегат отбраковывался. Установка агрегатов осуществлялась на переходные плиты, закреплённые на прива-лочной плите, после чего они поджимались зажимным приспособлением. Нагнетающую полость насоса соединяли шлангом высокого давления 2 с дросселем 5, а всасывающую - шлангом низкого давления 3 с баком 4. Дросселем создавали нагрузку, определяя наибольшее развиваемое насосом давление по манометру 10. Насосы, нагнетающие номинальное давление, испытывали на производительность. При этом поток масла проходил через счётчик расхода жидкости 11. В момент, когда стрелка счётчика совпадала с делением, выбранным за начало отсчёта, включали счётчик импульсов. Когда через счётчик расхода жидкости проходил контрольный объём масла (для насоса НШ-50У - 100 литров), счётчик импульсов останавливали. По объёму жидкости и количеству импульсов, фиксируемым по шкалам счётчиков, определяли фактическую подачу насоса [98]. Результаты входного стендового контроля представлены в параграфе 4.1 и в приложении 1. После проведения входного контроля насосы подвергались первичной дефектации и микрометражным исследованиям, при этом детали не обезличивались. Целью настоящих исследований является изучение характера и установление дефектов и величин износов деталей насосов, а также исследование общих закономерностей распределения величин износов. При проведении исследований для удобства работы и большей наглядности была разработана карта микрометража, включающая всю исходную информацию по размерам контролируемых поверхностей деталей, с указанием поясов, сечений, плоскостей, поверхностей и точек в которых необходимо проводить измерения. Образец карты представлен в приложении 2.
Исследование параметров и законов распределения износов и зазоров
Исследования показали, что поверхности колодцев корпуса насоса подвергнуты наибольшему износу со стороны всасывающей камеры. Это подтверждает теоретические предположения, что данный дефект вызван микрорезанием, которое происходит в результате того, что шестерни прижимаются к стенкам колодцев давлением, создаваемым в нагнетательной камере. Происходит срезание слоя мягкого металла (алюминиевый корпус) твёрдым металлом (сталь) из которого изготовлены шестерни. Подтверждает так же высказанное ранее предположение об износе в соединении «цапфа шестерни - подшипник» как первопричине вызывающей микрорезание корпуса. В результате смещения шестерен износ корпуса со стороны всасывающей камеры больше износа со стороны камеры нагнетания в среднем на 144,875 мкм для колодца ведущей шестерни, и на 145,375 мкм для колодца ведомой шестерни.
Износ колодца корпуса под ведущую шестерню лежит в пределах 12...287 мкм, при среднем значении 104,22 мкм; износ колодца корпуса под ведомую шестерню составил 12...260 мкм, при среднем значении 120,018 мкм. Функции плотности распределения величин износов колодцев корпуса представлены на рис 4.2.
Шестерни так же изнашиваются в процессе работы насоса. Происходит износ торцовой поверхности и наружного диаметра шестерён, из-за попадания абразивных частиц в торцовый зазор «шестерня - компенсатор» и в радиальный зазор «шестерня - корпус». В результате образуется кольцевая риска глубиной до 30 мкм на торцах шестерён и задиры на вершинах зубьев шестерён. Величина торцевого износа ведущей шестерни находится в пределах 2...42 мкм при среднем значении 14,13 мкм; ведомой шестерни - 2...44 мкм при среднем значении 13,1 мкм.
Функции плотности распределения величин торцевого износа шестерён представлены на рис. 4.3.
Величина износа по наружному диаметру ведущей шестерни находится в пределах 0...40 мкм при среднем значении 12,15 мкм; ведомой шестерни -0...40 мкм, при среднем значении 13,43 мкм.
Функции плотности распределения величин износа шестерён по наружному диаметру представлены на рис. 4.4.
Цапфы шестерен так же подвержены износу, который он оказывает непосредственное влияние на изнашивание корпуса. Износ цапф ведущей шестерни лежит в интервале 4;..89 мкм, при среднем значении 26,95 мкм; цапф ведомой - 5...91 мкм, при среднем значении 22,26 мкм. Функции плотности распределения величин износа цапф шестерён представлены на рис. 4.5.
В процессе работы происходит износ отверстия подшипника сопряжённого с цапфами шестерён. Наибольший износ происходит со стороны всасывающей камеры, тем самым шестерня ещё сильнее прижимается к корпусу. Износ отверстий подшипников под ведущую шестерню находится в интервале 8... 115 мкм при среднем значении 37,74 мкм; отверстий подтип ников под ведомую шестерню - 10... 128 мкм при среднем значении 35,58 мкм. Функции плотности распределения величин износа отверстий подшипников представлены на рис. 4.6.
Изведущую шестерню; - 0...50 мкм, при среднем значении 12,05 мкм для подшипников под ведомую шестерню.
Износ компенсаторов и сопряжённых с ними шестерён, происходит по торцовым поверхностям деталей вследствии абразивного износа. В результате увеличивается суммарный торцовый зазор в сопряжении и внутренние утечки жидкости, что приводит к снижению давления и производительности насоса. Величины износов компенсаторов следующие: для внешнего - 5...205 мкм при среднем значении 141,5; для внутреннего -2...193 мкм при среднем значении 140,75 мкм.
