Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса и задачи исследований 7
1.1. Состояние изученности вопроса об атмосферной коррозии деталей сельскохозяйственных машин 7
1.2. Современное состояние изученности вопроса о механизме атмосферной коррозии черных металлов 14
1.3. Характеристика современных способов защиты металлов от атмосферной коррозии 27
1.4. Состояние изученности вопроса о влиянии различных факторов на стабильность затяжки, надежность и долговечность резьбовых соединений 35
1.5. Задачи исследований 53
ГЛАВА 2. Теоретические предпосыжи к решению вопроса о вящнии степени коррозии резьбоеы соединений на их. прочность и долговечность 55
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследований 66
3.1. Программа исследований 66
3.2. Методика исследований 1 67
3.2.1. Планирование эксперимента 67
3.2.2. Методика натурно-стендовых испытаний на атмосферную коррозию резьбовых соединений 72
3.2.3. Методика оценки противокоррозионных качеств различных защитных покрытий резьбовых соединений 74
3.2.4. Методика построения математической модели 75
3.2.5. Методика лабораторных исследований влияния степени коррозии на механические свойства резьбовых соединений и на изменение профиля резьбы 82
3.2.6, Методика лабораторных и производственных исследований влияния атмосферной коррозии на эксплуатационные качестш и срок службы резьбовых соединений 83
ГЛАВА 4. Результаты исследований и их анализ 85
4.1. Результаты расчета и проверки коэффициентов математической модели атмосферной коррозии образцов резьбовых соединений 85
4.2. Результаты определения параметров атмосферной коррозии образцов резьбовых соединений 88
4.3. Результаты повторного исследования убыли массы металла, скорости и глубинного показателя коррозии резьбовых соединений 117
4.4. Результаты визуальных и микроскопических наблюдений за состоянием резьбовой поверхности исследуемых резьбоЕых соединений 119
4.5. Результаты исследования влияния степени коррозии на прочность болтоЕ 124
4.6. Влияние атмосферной коррозии на надежность резьбовых соединений 145
4.6.1. Влияние атмосферной коррозии на прочность резьбового соединения при зашяжке резьбы 145
4.6.2. Влияние атмосферной коррозии резьбоЕых соединений на стабильность их крепежа 152
ГЛАВА 5. Технико-экономическая эффективность гальванического цинкования крепежных деталей резьбовых соединений селъскохошйственных машин 160
Выводы и рекомендации 164
Список использованной литературы
- Состояние изученности вопроса об атмосферной коррозии деталей сельскохозяйственных машин
- Состояние изученности вопроса о влиянии различных факторов на стабильность затяжки, надежность и долговечность резьбовых соединений
- Методика натурно-стендовых испытаний на атмосферную коррозию резьбовых соединений
- Результаты расчета и проверки коэффициентов математической модели атмосферной коррозии образцов резьбовых соединений
Введение к работе
В принятых ХХУІ съездом КПСС "Осноеных направлениях экономического и соїщального развития СССР на 198І-1985 годы и на период до 1990 года" указано на необходимость значительного улучшения использования тракторов, автомобилей, уборочных и др.машин, недопущения преждевременного их списания, повышения качества ремонта и обслуживания техники, а также её сохранности. Для выполнения этих задач 10 апреля 198I г. ЦК КПСС и С0еєт Министров СССР приняли специальное постановление "0 дополнительных мерах по обеспечению сохранности техники в сельском хозяйстве".
Рост технического потенциала сельского хозяйства страны, комплексная механизация и автоматизация производственных процес-сое - важные составляющие осуществляемой е нашей стране долговременной программы увеличения производства и улучшения качества сельскохозяйственной продукции. Для претворения в жизнь этой программы предстоит решать сложные научно-технические проблемы, одна из которых сшзана с максимальной реализацией потенциальных возможностей применяемых технических средств.
Современная сельскохозяйственная техника, несмотря на её постоянное совершенствование, нуждается е поддержании работоспособности в течение всего срока фушсционироЕанш. Это достигается выполнением большого объема ремонтно-обслужиЕающих воздействий, который с ростом технической вооруженности, усложнением технических средств и применением автоматических устройств, значительно возрастает. При этом повышается и значимость любого отказа машины, что е услоЕиях комплексного использования техники ведет к простою сопряженных с нею машин, нарушению технологического процесса, потерям или ухудшению качества продукции.
Решение проблемы работоспособности машинно-тракторного парка осноЕыьается на обеспечении высокой технической надежности машин. На надежность и долгоеєчность сельскохозяйственной техники существенное Елияние оказывают такие факторы, как специфические условия эксплуатации, Еысокая механическая и химическая агрессивность среда.
Работа сельскохозяйственных агрегатоЕ связана с постоянным воздействием на машины и орудия Еибраций, толчеюе и ударов, многие узлы и детали воспринимают значительные внешние нагрузки, неокрашенные металлические поверхности деталей машин подвергаются воздействию атмосферной коррозии. Все это обуславливает необходимость повышения надежности и стабильности затяжки крепежных соединений.
В связи с тем, что в узлах сельскохозяйственных машин в качестве крепежных соединении наиболее широкое применение имеют резьбоЕые соединения, повышение надежности последних является одной из Еажных задач е общей проблеме повышения надежности сельскохозяйственной техники.
Специфической особенностью резьбовых соединений сельскохозяйственных машин является необходимость их частого отвинчивания и затягивания при разборке и сборке машин е процессе эксплуатации и ремонта. Изготовленные из малоуглеродистой и среднеуглеро-дистой стали болты и гайки в процессе эксплуатации и в период хранения машин подвергаются атмосферной коррозии. При разборке машин отвинчивание прокорродироЕаЕших резьбовых соединений сопровождается удалением продуктов коррозии с поверхности резьбы, в результате чего уЕеличиЕается зазор е резьбовом соединении и, как следетеиє, снижается стабильность затяжки последних. Дальнейшее использование таких резьбовых соединений приводит к не-
обходітюсти частої их перезатяжки е процессе эксплуатации машин. Кроме того, при значительной степени коррозии резьбоЕБХ соединении их перезатяжка часто сопровождается срезанием еиткое резьбы или обрыьом стержня болта, что приводит к вынужденным простоям машин и к перерасходу крепежных деталей.
Несмотря на Еышеуказанное, исследование Еопросы о влиянии услоЕий хранения сельскохозяйственных машин и способов защиты от коррозии резьбоЕых соединений на их надежность, долговечность и стабильность затяжки до настоящего времени остается малоизученным.
Б настоящей работе была предпринята попытка внести посильный Еклад е решение этого важного ьопроса.
Состояние изученности вопроса об атмосферной коррозии деталей сельскохозяйственных машин
Атмосферная коррозия деталей сельскохозяйственных машин проявляется как в процессе эксплуатации последних, так и в процессе их хранения. Как указывает й.С.Левитский /6QJ, по сравнению с работой деталей тракторов или автомобилей детали сельскохозяйственных машин в гораздо большей степени подвергаются электрохимическому износу. Наиболее интенсивно атмосферной коррозии подвергаются детали сельскохозяйственных машин, изготоваленные из черных металлов. А поскольку основная часть деталей сельскохозяйственных машин, в том числе почти все их резьбОЕые соединения изготавливаются: из стали, атмосферная коррозия таких деталей оказывает зачастую "значительное влияние на снижение их надежности и .долговечности,.
Следует отметить, что в зависимости от назначения и конструктивного оформления деталей сельскохозяйственных машин, их подверженность атмосферной коррозии может проявляться и отра -жаться на работоспособности- или долговечности узлов и машин в целом по разному. Так, например, корродирование рабочей поверх ности отвала плуга ведет лишь к убыли массы металла от коррозии, уменьшению толщины детали и, как следствие, уменьшает срок службы самой детали; при этом коррозионное изнашивание поверхности отдала на работоспособность и надежность рабочего органа и плуга в целом существенного влияния не. оказывает.
Если же коррозионному воздействию подвергаются резьбОЕые соединения машин vболты, гайки, шпильки), то коррозионное раз 8 рушение резьбовой поверхности ведет к снижению стабильности затяжки соединения, увеличению-напряженности рабочих витков резьбы, срезу последних, а лри значительной коррозии - к "схватыванию" резьбового соединения и поломке стержня болта при затяжке или отвинчивании гайки...
Следовательно, коррозионное изнашивание резьбового соединения приводит к потере последним заданных ему функций, вследствие чего нарушается-или полностью становится невозможным дальнейшая работа узла или машины в целом без замены прокорро-дировавшего крепежного соединения..
Таким образом, изучение характера и интенсивности корродирования крепежных соединений и в частности резьбовых соединений сельскохозяйственных машин представляет определенный научно-практический интерес.
Важность изучения данного вопроса состоит еще и в том, что до настоящего времени нет единых рекомендаций по выбору способов хранения сельскохозяйственных машин и средств защиты их деталей от коррозии, применительно к различным климатическим условиям. По этой причине в различных"Х0"зяйствах даже одно! республики или зоны можно встретить- различные способы хранения сель-скохозяйственшй техники" ( закрытый, открытый и комбинирован -ный) 28 ,68,69,70,77,78,89,IOlJ , и различные способы защиты от коррозии неокрашенных металлических поверхностей деталей машин (применение отработанного дизмасла, конеерЕационных смазок, битумных составов и пр.). Причем, в ряде случаев вовсе отсутствует применение каких-либо защитных покрытий. Все это обуславливает широкое различие Е интенсивности корродирования различных деталей машин, а следовательно и в степени изменения их прочностных и эксплуатационных качеств.
Исследованиями ряда авторов /70, 76, 96, II4J установлено, что подвергнувшиеся коррозии поверхности деталей машин при работе изнашиваются в 1,5...2 раза быстрее, а прочность таких деталей снижается на 30...40 процентов.
При отсутствии надлежащих мер защиты от коррозии убыль массы металла от коррозии деталей некоторых сельскохозяйственных машин за год может достигать 12...13$ от общей массы этих машин /96J.
Актуальность Еопроса защиты металлов от коррозии подтверждается тем, что за последние годы были проведены семинары по натурным и ускоренным коррозионным испытаниям / 79_J, а также по теоретическим и научно-техническим основам защиты металлов от коррозии /І34/.
Вопросам защиты от коррозии оборудования, а также деталей сельскохозяйственных машин была посшщена республиканская научно-техническая конференция "Химия и сельское хозяйство", проведенная в 1971 году Е г.Баку / 66j. Б рекомендациях этой конференции обоснована актуальность и научно-практическая значимость исследований по изысканию эффективных способов защиты от коррозии деталей сельскохозяйственных машин применительно к характерным климатическим условиям Азербайджанской ССР.
Состояние изученности вопроса о влиянии различных факторов на стабильность затяжки, надежность и долговечность резьбовых соединений
Б узлах, механизмах и агрегатах тракторов и сельскохозяйственных машин применяется большое количество типоразмеров резьбовых соединений.
А. Э.Северный и др. [lI8] указывают, что свыше 60$ деталей любой машины имеют резьбу и что 25...40$ трудоемкости раз-борочно-сборочных работ при изготовлении, ремонте и обслуживании машин приходится на резьбовые соединения. Характеризуя условия работы резьбовых соединений авторы [д] указывают, что в процессе эксплуатации автотракторной техники резьбовые соединения испытывают знакопеременные нагрузки, воздействие высокой температуры, коррозионной и абразивной сред и других факторов, что способствует их интенсивному изнашиванию и поломке, а это исключает возможность их дальнейшего использования. Авторы считают, что основными причинами отказов и поломок резьбовых- соединений являются разрушение деталей и их элементов и нарушение стабильности затяжки. Б качестве основных причин, обуславливающих поломку резьбовых деталей, А.э, Северный и др. [lid] считают усталостное разрушение вследствие высокой концентрации напряжений во впадинах резьбы. При этом, как указывают авторы, на 36 блюдаются в основном разрушения болтов, работающих на растяже -ние.
А. у. Северный и др. [lI8] отмечают, что прочность и долговечность резьбовых соединений определяются тремя главными характеристиками: прочностью болтов, прочностью соединяемых деталей, стабильностью затяжки. При этом указывается, что предварительная затяжка резьбового соединения, обеспечивающая соответствующую плотность соединяемых деталей, является одним из основных факторов надежной работы как новых, так и восстановленных резьбовых соединений. В качестве основных причин нарушения стабильности затяжки авторы считают "самоотвинчивание" резьбовых соединений, изменение линейных размеров деталей резьбового соединения при вибрациях вдоль оси болта, сминание гребешков на поверхностях стыка, износ и смятие профиля резьбы и др. Авторы справедливо указывают, что в ремонтной практике приходится сталки -ваться с резьбовыми деталями," испытавшими за период эксплуатации совокупные воздействия на процесс изнашивания многих факторов, оказывающих весьма сложное воздействие на элементы и материал резьбовых деталей.
Вместе с тем следует отметить, что в работе А.Э.Северного и др. [lI8] фактор атмосферной коррозии резьбовых соединений отмечен лишь вскользь, тогда как в открытых узлах сельскохозяйственных машин имеет место интенсивная атмосферная коррозия резьбовых соединений, безусловно оказывающая существенное влияние как на прочность болтов и соединяемых деталей, так и на стабильность затяжки.
Наиболее распространенными в тракторах и сельскохозяйст 37 венных машинах являются следующие типы болтов /Ї7, 84J: а) болты с шестигранной уменьшенной головкой и направляю щим подголовником (.нормальной точности) ГОСТ 7795-62; б) болты с шестгранной уменьшенной головкой (нормальной точности) ГОСТ 7796-62; в) болты с шестигранной головкой (нормальной точности) ГОСТ 7798-62; г) болты с шестигранной уменьшенной головкой и направляю щим подголовником лповышенной точности) ГОСТ 7811-62; д) болты с шестигранной уменьшенной головкой (повышенной точности) ГОСТ 7808-62; е) болты с шестигранной головкой (повышенной точности) ГОСТ 7805-62,
Болты нормальной точности диаметром от 6 до 48 мм, изготовляют из катанной или тянутой стали холодной или горячей ЕЫ-садкой или ковкой без обработки стержня и головки.
Болты повышенной точности диаметром от 6 до48 мм изготовляют из катанной или тянутой стали холодной или горячей штамповкой с обточенными опорной поверхностью головки и концом стержня. Нарезание резьбы в настоящее время осуществляется в основном накаткой.
Методика натурно-стендовых испытаний на атмосферную коррозию резьбовых соединений
Для проведения натурно-стендовых испытаний резьбовых соединений на атмосферную коррозию были изготовлены специальные стенды \см, рис. І.П.І).
Б конструкции стендов была предусмотрена возможность установки образцов резьбовых соединений под углом оси болта к горизонту 0, 45 и 90, на высоте 0,4; 1,4 и 2,4 м над поверх -ностью земли. Таким образом, вариантами- установки образцов на стендах охватывались реальные габаритные размеры по высоте большинства сельскохозяйственных машин, Е том числе зерновых комбайнов и хлопкоуборочных машин.
Основной каркас стендов был изготовлен из угловой стали, а поперечные планки, на которых крепились образцы резьбовых соединений, из дерева.
Каждый стенд имел три высотных яруса и на каждом ярусе крепились деревянные планки под углом 0, 45 и 90 к горизонту. В целях изоляции образцов от каркаса стенда, крепление образцов на деревянных планках осуществлялось при помощи фарфоровых изоляторов.
В целях имитирования реальных условий затяжки резьбовых соединений в узлах машин, использовались специально изготовленные стальные пластины размером 30x70x5 мм. Ба рис. 2 и 3 п. I. показаны образцы резьбовых соединений, (в затянутом положении), подготовленные для натурно-стендовых испытаний на атмосферную коррозию.
Затяжку резьбовых соединений осуществляли при помощи динамометрического ключа (рис.4.п.I) с усилием, рекомендуемым заводами-изготовителями применительно к различным типоразмерам резьбовых соединений. В частности, резьбоЕые соединения М8 затягивались моментом 15 Н м, МІ0 - 60 Н»м и MI2 - 100 Н м /iIOj. Общая продолжительность испытания образцов на атмосферную коррозию была принята равной 12 месяцам.
За время проведения натурно-стендовых испытаний на атмосферную коррозию велись также визуальные наблюдения за состоянием поверхности образцов.
Параллельно с проведением натурно-стендовых испытаний велись наблюдения за основными климатическими параметрами воздуха (по данным метеостанции АзСХИ). При этом брались во внимание такие показатели, как средняя, максимальная и минимальная температура воздуха, относительная влажность последнего, число дней с осадками и количество выпавших осадков (по месяцам).
У снятых со стендов образцов резьбовых соединений опреде -лялись такие показатели коррозии, как убыль массы металла, скорость коррозии и глубинный показатель коррозии.
Убыль массы металла от коррозии определялась путем взвешивания деталей резьбового соединения (болта и гайки) после удаления с их поверхности продуктов коррозии и сопоставления полученной массы образцов с первоначальной (до испытания) их массой.
Взвешивание образцов велось на электроаналитических весах марки ША-200 м с точностью до 0,0001 г.
При двукратной повторности в каждой точке плана, общее число реализованных опытов только с одним видом покрытия будет 84. Таким образом, ддя реализации эксперимента по схеме, приведенной на рис.3.I., следовало исследовать 1344 образца резьбо-ЕЫХ соединений.
Для исключения волевого решения, в Еыборе очередности замеров для каждого типа покрытий, следует рандомизироЕать последовательность замера параметров коррозии [ъ].
Выбор Д-оптимального плана обусловлен минимизацией объема эллипсоида рассеяния оценок коэффициентов уравнения регрессии, в нашем случае квадратной модели:
Результаты расчета и проверки коэффициентов математической модели атмосферной коррозии образцов резьбовых соединений
На основе данных, полученных в результате определения убыли массы металла от коррозии образцов резьбовых соединений (см.таблицы I и 2 Приложения I) были расчитаны полиномы второго порядка, описывающие с достаточной точностью механизм процесса в интересующей нас области определения факторов.
Полученные величины коэффициентов уравнений регрессии приведены в таблице 4.I. данные для регрессивного анализа приведены Е таблице 4.2. Как видно из таблицы 4.2. полученные математические модели удовлетворяют статистическим критериям Кохрена (проверка на однородность дисперсий) и Фишера (проверка на адекватность).
Расчеты оценок дисперсий приведены в таблице 4.3. Результаты проверки коэффициентов модели на значимость по критерию Стьюдента приведены в таблице 4.4.
Итак, математические модели, описывающие механизм процесса коррозии резьбовых соединений в кодированных величинах факторов, будут в виде: Уд- = 0,029+0,007х(+0,0107x +0,002Ixf+0,0029 X5-0,0009х2х г У2 = 0,0306+0,0095x(+0,021x2+0,0177x5+0,0049xf+0,0048x,x5. -- 0,001xzxf У3 = 0,I59I+0,03Ix/+0,0093x1+0,I007x;f-0,0065xj+0,OI78x/x5 У4 = 0,0272-0,0I09x,-Q,0085xz+0,038x +0,0053х -0,0Г73х,х У5 = 0,0331+0,0099х, +0,0206x +0,0049Х,2" У6 = 0,П66+0,0358х,+0,0043х2+0,0781x +0,0I9xf+0,0I75x,xy У? = 0,1069+0,0302х,+0,0053x +0,075xf+0,0205x,xу У8 = 1,0355+0,0429х,+0,2595x +0,0049х,х5 (4.1. ) У9 = 0,0193+0,0054х,+0,0008х2+0,0093x +0,0037х,2-0,0023х + +0,0018х,х5-0,0008х2х У10« 0,0203+0,0063x,+0,00I7xz+0,0I05xf+0,0027xJi+0,0027x/x5- + +0,0008х1х5 Уп= 0,0223+0,0148х, -0,0061х2+0,0181x +0,QQ42x?+Q,0027х, х -+ +0,0008 х5 У 12= 0,0204+0,0067х, +0,0123x +0,003їх У13= 0,0221+0,0057х, +0,0I25xf+0,00I5x,x,+0,00I6x;х,-0,0027х, х У14= 0,0284+0,0092х, +0,0024x +0,0I4xf+0,0012х, хг+0,0045х, х У 15= 0,0314+0,0057х, +0,015x +0,0046х -0,0008х, х2+0,0034х, хг У16= 0,I664+0,0486x,+0,0096xf+0,08I7Xy+0,0I6x/-0,0024x/x5 - 0,007X2 хе
Для перехода к натуральным величинам воспользуемся формулой (3.5.). Подставив (3.5.) в (4.I.), получим: У j = 0,04901-0,00942 ,+0,00015 -0,00406 +0,00052 +0,00386 , - 0,00024х2х5 У2 = 0,05935-0,02375 ,+0,00227 -0,01005 +0,00123 + + 0,00638х, -0,00027 У3 = 0,08323+0,00067х 0,00093хг+0,0182х 0,03160x -0,0Q65xj + + 0,02367х,х$ У4 = -0,09057+0,00896-0,00085: -0,01484+0,24076 +0,00534 --0,02301 У5 = 0,07170-0,01955+0,055+0,00123xf У6 = 0,4Г720-0,09168 +0,00043-0,02475x +0,00475xf+0,02328 хг У7 = 0,12594-0,00198 +0,00053x -0,25324x7+0,02726х,х . У8 = 0,42845+0,ОГ737х,+0,62755х +0,006517х;х7 (4.2.) У9 = 0,07251-0,01730 +0,00021 +0,02667 0,000931 -0,01640 / + + 0,00239 -0,00021 У 10= 0,06035-0,008 Юх, +0,00004x -0,01330хг+0,000686+0,00359x7 х + 0,00021 Уп= 0,06282-0,01585 -0,00074хг+0,00913хг+0,00I05x +0,00359 xf+ + 0,00021 У - = 0,04386-0,01215 +0,03284x +0,000781 У13= -0,00650+0,00231 -0,00030x +0,03007x +0,00005 хг + + 0,00213 -0,00072 УІ4= 0,00551-0,00065 +0,00004х2-0,0226Ixf+0,00006 х2 Г2-0,0226 Ixf+0,00006 + + 0,00599k, х? УІ5= 0,096Г7-0,02048 +0,0004x -0,00527+0,00II5x -0,00004 3 + + 0,00452 УІ6= 0,11374-0,05770 ,+0,00213 +0,29686 +0,00 -0,00319 -- 0,00187
Из полученных математических моделей, описывающих процесс атмосферной коррозии, устанавливаем, что факторами, оказывающими влияние на процесс коррозии, являются размер и материал резьбово го соединения и продолжительность экспозиции. Что касается угла и высоты установки образцов, то они на процесс коррозии существенного влияния не оказывают.
Как было указано в методике настоящих исследований, помимо убыли массы металла определялись также скорость и глубинный показатель (проницаемость) коррозии резьбовых соединений.
В целях установления более тесной взаимосвязи между продолжительностью экспозиции образцов и параметрами их атмосферной коррозии, определение этих параметров производилось через каждые 2 месяца зкстгозиции, в сшзи с чем на стендах дополнительно устанавливалось необходимое количество защищенных различными покрытиями и контрольных образцов резьбошх соединений.
Ниже, в таблице 4.5 приведены результаты определения убыли массы металла от коррозии резьбовых соединений, изготовленных из стали 3, Как видно из данных таблицы 4.I., при хранении на открытой площадке из защищенных образцов наибольшую убыль массы металла от коррозии имели кадмированные, покрытые битумно-олифовым составом и окрашенные, а наименьшую - покрытые смесью СХК с ОД! и оцинкованные.
