Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Состояние и направление развития средств механизации уборки навоза 9
1.2 Анализ конструкций цепных скребковых навозоуборочных транспортеров и их тяговых органов 12
1.3 Обзор исследований по повышению долговечности тяговых цепей навозоуборочных транспортеров 20
2. Теоретические предпосылки повышения долговечности навозоуборочного транспортера 27
2.1 Снижение изнашивания тяговой цепи навозоуборочного транспортера 27
2.2 Механизм изнашивания тяговой цепи 30
2.3 Защита трущихся деталей тяговой цепи от разрушения при работе в агрессивных средах 36
2.4 Определение показателей надежности навозоуборочного транспортера 40
3. Программа и методики экспериментальных исследований 49
3.1 Программа исследований 49
3.2 Устройство лабораторных установок 51
3.2.1 Установка для исследования коррозионной активности сталей в агрессивных средах 51
3.2.2 Установка для исследования изнашивания сталей в агрессивных средах 51
3.3 Опытная тяговая цепь 53
3.4 Методики экспериментальных исследований и обработки опытных данных 55
3.4.1 Планирование эксперимента 55
3.4.2 Подготовка к опытам 74
3.4.3 Поверка приборов и оборудования 76
3.4.4 Методики проведения экспериментов 78
3.4.5 Обработка опытных данных 80
3.5 Металлографическое исследование 81
3.6 Сравнительные эксплуатационные испытания 82
4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 83
4.1 Влияние температуры на коррозионную активность сталей в агрессивных средах 83
4.2 Влияние вида коррозионной среды, частоты вращения привода и нагрузки на протекание изнашивания сталей в активных средах 99
4.3 Экспериментальное определение показателей надежности навозоуборочного транспортера 107
4.4 Анализ результатов металлографического исследования 121
4.5 Результаты сравнительных эксплуатационных испытаний 128
5. Технико-экономический расчет эффективности внедрения результатов исследований 134
Общие выводы и рекомендации производству 138
Список использованных источников 140
Приложения 151
- Анализ конструкций цепных скребковых навозоуборочных транспортеров и их тяговых органов
- Механизм изнашивания тяговой цепи
- Планирование эксперимента
- Влияние вида коррозионной среды, частоты вращения привода и нагрузки на протекание изнашивания сталей в активных средах
Анализ конструкций цепных скребковых навозоуборочных транспортеров и их тяговых органов
В работе рассматриваются цепные скребковые навозоуборочиые транспортеры, предназначенные для очистки навозных каналов, расположенных у стойл животных, и транспортировки навоза по этим каналам в навозохранилище или другое транспортное средство. Другие транспортеры, например, для очистки навозных проходов при боксовом содержании коров, в настоящей работе не рассматриваются. Ниже дан краткий анализ конструкций этих машин и их тяговых органов.
В настоящее время используются три вида транспортеров: ТСН-160, ТСН-3,0Б и ТСН-2Б (Таб.1.1). Все они состоят из горизонтального и наклонного участков (Рис 1.2), у них одинаковые конструкции приводов и много общих требований к компоновке. Различаются они типом тягового органа и, следовательно, конструкциями приводных, натяжных и поворотных звездочек. Навоз транспортеры перемещают по открытому желобу (навозному каналу) волочением. Направление движения тяговой цепи - одностороннее. Загрузка происходит у стойл животных по всей длине тех ветвей, которые находятся у стойл животных. Разгрузка горизонтальной части происходит в одном месте вблизи приводной станции, обычно на наклонную часть транспортера или на другой - поперечный транспортер.
Скорость движения тяговой цепи наклонного участка выше, чем горизонтального, что обусловлено лучшей транспортировкой жидкой фракции навоза при повышенной скорости. Пониженная скорость горизонтального транспортера вызвана необходимостью предотвращения травмирования животных. Транспортеры включают в работу два раза в сутки, примерно на один час, остальное время суток они простаивают.
Тяговым органом транспортера ТСН-160 является круглозвенная калиброванная цепь (рис. 1.3) с прикрепленными сверху скребками. Особенностью является навозный канал сложной формы со специальным желобом для цепи.
Достоинства тяговой цепи транспортера ТСН-160 -относительная простота конструкции и большой срок службы самой цепи. Главный недостаток - склонность к скручиванию и необходимость использования специального цепеделательного оборудования, а также небольшой срок службы звездочек. Кроме того, необходим навозный канал более сложной формы, что требует дополнительных затрат ручного труда и более тщательного исполнения навозного канала.
У транспортера ТСН-3,0Б в качестве рабочего органа применена горизонтально-замкнутая пластинчатая шарнирная безвтулочная разборная цепь (рис. 1.4) с консольно прикрепленными к ней скребками (табл. П.1.1).
Особенностью конструкции является шарнирно консольное крепление скребков при помощи специальной скобы Шарнирное крепление скребков применено для обеспечения лучшего их прилегания к днищу навозного канала
Достоинствами тяговой цепи транспортера ТСН-3,ОБ является - простота конструкции, низкая себестоимость изготовления, возможность использования универсального оборудования. Главный недостаток цепи и звездочек - низкая долговечность. Кроме того, цепь поставляется потребителю в разобранном виде, что требует дополнительных затрат ручного труда при монтаже машин на месте их эксплуатации.
У транспортера ТСН-2Б тяговым органом служит неразборная комбинированная цепь из пластинчатых наружных и кованых внутренних звеньев (рис. 1.5). К наружному звену цепи консольно и жестко приварены рабочие органы - скребки. Скребки расположены под тяговой цепью и к днищу навозного канала они прижимаются собственной силой тяжести и силой тяжести цепи.
Долговечность этих транспортеров выше, чем транспортеров ТСН-3,0Б, и достигает пяти лет [2]. Цепь этого транспортера также долговечнее, но она имеет тот недостаток, что изготовление кованых звеньев требует применения специального нагревательного и ковочного оборудования.
Многие американские фирмы: Clay, Badger, Starline, Jamesway, Batler и др. [2,7-11] выпускают навозоуборочные транспортеры с тяговой цепью аналогичной цепи транспортера ТСН-2Б (рис. П. 1.1). Цепи этих транспортеров по желанию потребителя подвергают термоупрочнению и цинкованию [12]. Взаимодействуют они со стальными термоупрочненными трехзубыми звездочками, HRC 55-60. Срок службы достигает пяти лет [13]. В США фирма Berg [14] в качестве тягового органа навозоуборочиых транспортеров применяет крючковые цепи, шарниры которых образуют кинематические пары высшего класса. Транспортеры с такой цепью выпускает также датские фирмы Strangko и Big Dutchman [15] Цепь имеет разборную конструкцию. Долговечность ее составляет не менее 10 лет. Ее звенья изготовляют из стали с термоупрочнением. Недостатки этой цепи - большая масса и необходимость применения узкоспециализированного оборудования. В качестве тяговых органов навозоуборочиых транспортеров за рубежом, особенно в Европе, широко применяют круглозвенные цепи, шарнирыкоторых также образуют кинематические пары высшего класса. Это фирмы Riberi, Curetable, Schierholtz [16-19] и др. Круглозвенные сварные цепи применяют разных шагов - (от 27 до 100 мм) и разных калибров (от 9 до 16 мм) [4]. Круглозвенные цепи, как правило, калибруют по шагу и закаливают [2]. В зарубежных машинах зацепление цепи со звездочками осуществляют только за вертикальные звенья. Скребки к круглозвенным цепям крепят жестко, в большинстве случаев при помощи болтов к детали, приваренной к звену цепи, а также при помощи разборных присоединительных звеньев и непосредственной приваркой к звену цепи. В качестве поворотных устройств применяют ролики и звездочки.
Тяговые цепи выбраковывают по следующим причинам:
1. Износ шарниров, приводящий к удлинению цепи и нарушению ее зацепления со звездочками (основной критерий работоспособности для большинства цепей).
2. Усталостное разрушение пластин по проушинам (у пластинчатых цепей).
3. Проворачивание и выпадение осей - распространенная причина выхода из строя цепей транспортера ТСН-3,0Б.
4. Износ зубьев звездочек.
5. Недостаточно высокое качество изготовления цепей.
Долговечность цепи зависит в первую очередь от износостойкости шарниров. Материал и термическая обработка цепей имеют решающее значение для их долговечности. Технологические методы упрочнения тяговых цепей наиболее распространенных скребковых навозоуборочных транспортеров Российской Федерации представлены в Таб. 1.2. Тяговые цепи в отличие от приводных цепей работают без смазки, поэтому потери на трение у них несколько выше, а долговечность - ниже. Потери на трение складываются из потерь: а) на трение в шарнирах (у круглозвенных цепей - между звеньями в точке контакта); б) на трение между пластинами (у пластинчатых цепей); в) на трение между звездочкой и звеньями цепи при входе звеньев в зацепление и при выходе из него; г) на трение в опорах. Основными являются потери на трение в шарнирах и опорах [40]. Существенный вклад в разработку методов расчета цепей на износостойкость внесли Воробьев И.В., Столбин Г.В., Решетов Д.Н. [42-44].
Приняв, что для определенных условий работы цепных передач действительный коэффициент трения не может колебаться в широких пределах (вид трения качественно не меняется [45,46]), Воробьев К.В., Столбин Г.В. и Дьячков В.К. считают, что в этом случае изнашивание пропорционально удельной работе трения [42].
Механизм изнашивания тяговой цепи
Тяговая цепь навозоуборочного транспортера в процессе работы подвергается совместному воздействию механического изнашивания и коррозионной среды, а во время простоя транспортера - воздействию коррозионной среды.
Коррозионная среда представляет собой сложную многофазную систему твердых, жидких и газообразных частиц. Вода в ней входит в состав сложных химических соединений с твердым веществом (химически связанная), образует оболочку вокруг коллоидных частиц (физически связанная) и заполняет поры между частицами твердой фазы (свободная вода). В связи с этим нами в химической лаборатории КГСХА определен состав агрессивных сред (табл. 2.1)
Механическое изнашивание - дискретный процесс, при котором образуется нестационарная система единичных фрикционных контактов. Существование контактов кратковременно: через каждый из них осуществляется мгновенная передача на твердое тело определенной доли общей нагрузки. Касательные реактивные силы на каждом из одновременно существующих контактов в сумме создают силу сопротивления движению - силу трения. Эти силы возникают вследствие молекулярного или механического взаимодействия контактирующих тел. При этом в микрообъемах материала поверхностного слоя возникают определенные напряжения. Поведение материала при изнашивании, по нашему мнению, зависит от уровня возникающих напряжений и температур, от физико-механических свойств окружающей среды и времени действия всех этих факторов и хорошо согласуется с работой [21].
Исследования коррозионной активности сталей в агрессивных средах показали, что поверхность деталей неоднородна, это связано не только со структурой металла (вакансии в кристаллической решетке, границы блоков и др.), но и с последствиями обработки и изнашивания - рисками, царапинами. Большое влияние на неоднородность металла оказывают металлургические дефекты - поры, включения, различия в размерах кристаллов, в твердости и др. Физико-химическая неоднородность поверхности приводит к появлению на ней участков с различными значениями электродного потенциала и способствует тому, что химические реакции, обуславливающие коррозионный процесс, протекают на отдельных участках поверхности металла с различной активностью.
В результате электрохимических процессов вместо основной структуры металла образуются продукты коррозии, которые у черных металлов имеют гораздо более низкие механические показатели, чем исходный металл.
Наши разработки позволили выявить механизм изнашивания соединений тяговых органов, работающих в агрессивных средах с периодическим повторением трения и покоя. При взаимном относительном трении деталей происходит снятие оксидов и обнажение металлических поверхностей. При простое транспортера на обнаженных поверхностях развивается электрохимическая коррозия. Эти процессы нарушают поверхностную структуру металлов. При очередном пуске транспортера трение деталей происходит по уже ослабленным поверхностям, разрушая, деформируя и истирая поверхность металла. При этом предполагаем, что при трении частично удаляются продукты коррозии и износа (рис.2.1). Предложенная модель изнашивания позволяет сделать вывод о том, что разрушение поверхностей трения зависит от износостойкости и коррозионной стойкости металла.
Согласно электрохимической теории разрушения металлов [50,52,53] считаем, что коррозия является результатом работы гальванических микроэлементов. Установлено [50], что на активность протекания электрохимических реакций, а следовательно и на ток коррозии влияет и температура окружающей среды. Поэтому предполагаем что сила тока коррозии от температуры в общем виде выражается функцией.
Соприкосновение металлической поверхности с электролитом вызывает разрушение структуры металла и чем активнее процесс, тем больше ток. Ионизация металлов в одних случаях сопровождается выделением водорода, а в других -поглощением кислорода [54]. При этом возможны два варианта взаимодействия металла с кислородом: 1) когда электрон покидает металлическую решетку и образует адсорбированный ион О ; 2) когда атом металла покидает решетку и образует металлический оксид. Железо склонно к образованию оксидов. Поэтому возникла необходимость в разработке способа защиты трущихся деталей тяговой цепи.
Планирование эксперимента
Наиболее важным этапом при исследовании любых объектов является выбор их математической модели в заданной области изменения аргумента. Построение какой-либо общей модели, охватывающей все стороны изучаемого объекта в общем случае невозможно, да и не нужно. Поэтому одним из основных этапов данного исследования является установление объективных закономерностей, которые выражаются зависимостями различных факторов друг от друга и в дальнейшем используются для построения модели. Часто на практике приходится иметь дело с ограниченным объемом экспериментального материала. Материала, полученного в опытах, явно недостаточно для того, чтобы найти заранее неизвестный закон распределения случайной величины, но этот материал должен быть обработан и использован для получения сведений о работе навозоуборочного транспортера.
Чтобы использовать результаты исследований о механизме изнашивания тягового органа навозоуборочного транспортера, необходимо определить количественные критерии, на основе которых можно произвести анализ вариантов с целью выявления наилучшего, осуществить выбор внутрисистемных переменных, которые используются для определения характеристик и идентификации вариантов, и построить модель, отражающую взаимосвязь между переменными.
Используемые для этих целей математические методы, как правило, настолько громоздки, что при большом числе переменных трудно обойтись без ЭВМ. В связи с этим возникла задача рационального планирования обработки эксперимента, получения достаточно достоверных эмпирических формул при минимальном числе опытов.
Однако механизм изнашивания тягового органа навозоуборочного транспортера зависит не от одного, а от нескольких факторов. Чтобы установить влияние каждого фактора, необходимо задать ему не менее пяти значений. Но для этого необходимо провести очень большое количество экспериментов. Поэтому методологическим принципом системных исследований является принцип системности: «Вся доступная нам природа образует некую систему, некую совокупную связь тел, причем мы понимаем здесь под словом тела все материальности» [71].
Один из путей учета совокупности противоречивых целевых установок состоит в том, что какой-либо из критериев выбирается в качестве первичного, тогда как остальные критерии считаются вторичными. Первичный критерий в этом случае используется при оптимизации как характеристическая мера, а вторичные критерии порождают ограничения оптимизационной задачи, которые устанавливают диапазоны изменений соответствующих показателей от минимального до максимального приемлемого значения [72].
Однако возникает вопрос: сколько основных факторов применять для измерений и отметок в опыте? Воспользуемся для его решения математической теорией оптимального эксперимента [73-75].
Выбор оптимального планирования эксперимента возможен при достаточно четко сформулированных сведениях о процессе.
Приступая к выявлению механизма изнашивания тягового органа навозоуборочного транспортера, выдвигаются две гипотезы:
1) гипотеза о независимых переменных, подлежащих изучению;
2) гипотеза об интервалах независимых переменных, в пределах которых может протекать процесс.
В нашем случае решение задачи включает два этапа: на первом этапе определяется коррозионная активность сталей в агрессивных средах; на втором этапе определяется механизм коррозионно-механического изнашивания. При этом важно так спланировать сочетание различных факторов, чтобы при минимальном числе опытов наиболее равномерно охватить всю область возможных сочетаний факторов и учесть мнение возможно большего числа различных научных школ [76].
Для решения поставленной задачи необходимо сформировать экспертные группы. Формирование экспертных групп проводилось по компетентности рассматриваемого круга вопросов. Поэтому поиск профессионалов, способных дать информацию по поставленному вопросу, стал самостоятельной задачей. К тому же эксперт - это не только профессионал высокого класса, но и человек, умеющий на основе профессиональных знаний давать информацию по определенным требованиям и правилам.
В работе, на основании изложенных требований, использовался метод «снежного кома», который исходит из предпосылки, что занимающийся организацией экспертизы исследователь заранее знает несколько лиц, являющимися специалистами в требуемом понимании.
Данный процесс можно описать формально. Пусть Мо -число заранее известных лиц. Первый опрошенный их них назвал nil новых лиц, и всего стало M0+mi и так процесс продолжается.
Для оценки компетентности специалистов применялись следующие основные методы: документальный метод, самооценка специалистов, их взаимная оценка, тестовый метод. При этом учитывалось, что первые два метода зависят от личных свойств людей, симпатий и антипатий, скромности и самоуверенности. Тестовый подход позволил уменьшить трудности, возникающие при использовании других методов компетентности.
При анализе существующих процедур нужно выделить характер взаимодействия экспертов в ходе опроса и наличие «обратной связи». Описанная процедура получения экспертной информации должна быть исследована и проверена.
При формализации априорных сведений о вкладе, вносимом теми или иными факторами, воспользуемся теоретическими разработками и методом априорного ранжирования факторов. Для этого преподавателям Курской государственной сельскохозяйственной академии предлагалось проранжировать названные факторы (см. табл. 3.1), приписав им порядковые номера (ранги) 1,2,3 и т.д. в зависимости от величины вносимого вклада.
Для наглядности представления результатов психологического эксперимента по данным табл.3.2 строим среднюю априорную диаграмму рангов (рис.3.4) распределения факторов, влияющих на механизм изнашивания тягового органа навозоуборочного транспортера.
На основании априорного исследования с учетом результатов проведенного психологического эксперимента и теоретических разработок, предполагаем, что наиболее значимыми факторами, влияющими на механизм изнашивания тягового органа навозоуборочного транспортера, являются частота вращения привода, нагрузка, марка стали, применяемой для изготовления трущихся деталей, вид агрессивной среды, время работы и простоя, а также температура окружающей среды.
Количество уровней варьирования факторов зависит от целей эксперимента, условий его осуществления и от выбранных критериев процесса. За редким исключением критерии имеют, в реальном интервале варьирования факторов два и более максимума или минимума.
Для построения сложных характеристик процесса необходимо как минимум 9 точек (уровней). Для более простых случаев надежную зависимость можно установить по 5-7 точкам [79].
Таким образом, не увеличивая допустимой ошибки и не уменьшая степени надежности заключений, можно при малой изменчивости изучаемых свойств достаточно большое число опытов свести до нескольких единиц.
Влияние вида коррозионной среды, частоты вращения привода и нагрузки на протекание изнашивания сталей в активных средах
Исследования по выявлению влияния вида коррозионной среды, частоты взаимных перемещений трущихся поверхностей и нагрузки на протекание процессов изнашивания сталей в активных средах проводим по методике, изложенной в пункте 3.4.
Износ (G, %) от частоты взаимных перемещений трущихся поверхностей (S, мин"1) при различных нагрузках (F, Н) для сталей в активных средах приведены в табл. 4.2, табл. П.5.1 .табл. П.5.89., на рис. 4.13... рис. 4.18, рис. П.5.1...рис. П.5.18.
Характер расположения точек на корреляционном поле нам подсказывает, что расчетный износ можно выразить уравнением G - aS2 + bS + с, (4.5) где а и b - неизвестные параметры. Принятые обозначения: Gi, ., G6 - расчетный износ, %; 8- относительная ошибка, %.
Придавая переменной S различные значения получаем из уравнения кривой соответствующие значения Gj. В столбце 3 табл.4.2 указаны Gi для всех значений S, записанных в столбце 1 таблицы. Аналогично обрабатываем данные, приведенные ниже.
Анализ данных табл. 4.2, табл. П.5.1 .табл. П.89., и рис. 4.13... рис. 4.18, рис. П.5.1...рис. П.5.18 показывает на возрастание потерь массы G при увеличении частоты взаимных перемещений трущихся поверхностей S по квадратичной зависимости. Наибольшие потери массы наблюдаются при S=40 мин" С увеличением нагрузки кривая смещается выше - в сторону увеличения износа G.
В соответствии с теоретическими разработками (см. 2.3) и экспериментальными данными пункта 4.1 наибольший износ наблюдается в курином помете, наименьший - в коровьей жиже [119]. Также из-за большей коррозионной активности сталь Ст 3 более подвержена изнашиванию, чем сталь 45.
Износ стали Ст 3 при нагрузке F=400 Н в коровьей жиже больше в 2 раза, чем у стали 45 при тех же условиях. Такая же тенденция наблюдается и в свиной жиже и в курином помете.
Стали Ст 3 и Ст 4 в курином помете увеличивают потери массы в 1,8 раза, а в свиной жиже в 1,3 раза по сравнению с коровьей жижей.
Стали 35 и 45 почти не увеличивают износ в курином помете и свиной жиже по сравнению с коровьей жижей.
Стали 10 и 20 по потерям массы в различных средах занимают промежуточное положение между сталями Ст 3, Ст 4 и 35, 45.
При моделировании процесса изнашивания сталей в цепях с защищенными шарнирами (подаче в зону трения вместо коррозионной среды масла М8 при тех же условиях) механического износа обнаружить не удалось. На основании результатов исследований рекомендуется применять в качестве тягового органа - цепь с защищенными шарнирами, а в качестве материала - сталь 45.
