Содержание к диссертации
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ В МАТЕМАТИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССОВ НЕСТАЦИОНАРНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗА
1.1. Исследование износов посадочных мест коренных опор
«
автотракторных двигателей 18
Выбор теоретического закона распределения износов 28
Осаждение электролитических сплавов 33
Составы растворов электролитов, применяемых при восстановлении деталей из железоуглеродистых сплавов 55
Моделирование уравнений состояния
процесса нанесения гальванических покрытий 63
1.6. Особенности численных решений дифференциальных уравнений
динамики гальванического процесса с пограничным слоем 71
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО АНАЛИЗА КАЧЕСТВА ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
Общая методика исследований 76
Частная методика исследований 80
Методика построения диаграмм состояний электролитического сплава 80
Методика определения микротвердости покрытия 83
Методика расчета прессованных соединений с
гальваническим цинк-железным покрытием 94
Методика определения прочности сцепления гальванического покрытия сосновой 97
Методика определения пористости гальванического покрытия 99
Микроструктурный анализ 100
Методика проведения производственных испытаний 100
ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫМИ ГАЛЬВАНИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ КОРЕННЫХ ОПОР БЛОКОВ ЦИЛИНДРОВ АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
3.1. Электрохимические исследования гальванического
цинк-железного покрытия 104
Влияние частоты вращения анода на производительность гальванического процесса и плотность тока 104
Влияния скорости протока электролита в межэлектродном пространстве на параметры процесса 107
Влияние частоты вращения анода с одновременным
протеканием электролита в межанодном пространстве 109
3.1.4. Исследование влияния содержания сульфата цинка в электролите
на содержание железа в гальваническом покрытии
при восстановлении посадочных мест 112
3.1.5. Исследование влияния содержания сульфата железа в электролите
на содержание железа в гальваническом покрытии при восстановлении
посадочных мест 114
3.1.6. Исследование влияния содержания серной кислоты в электролите
на содержание железа в гальваническом покрытии при восстановлении
посадочных мест 116
Исследование влияния температуры электролита на содержание железа в гальваническом покрытии при восстановлении посадочных мест 118
Исследование влияния катодной плотности тока при электролизе
на содержание железа в гальваническом покрытии при восстановлении
посадочных мест 119
3.2. Физико-механические исследования свойств цинк-железного покрытия
при восстановлении посадочных мест коренных опор
автотракторных двигателей 123
3.2.1. Построение диаграммы состояний цинк-железного сплава 123
Влияние параметров гальванического процесса на микротвердость покрытий 126
Исследование прочности сцепления гальванического цинк-железного покрытия с поверхностью основного металла 132
Исследование хрупкости гальванических покрытий 138
Исследование пористости цинк-железного покрытия 141
Испытание образцов с гальваническими покрытиями на прочность сцепления при работе в производственных условиях 145
Металлографические и рентгеноструктурные исследования структуры цинк-железных покрытий 149
Рентгенографический анализ 152
3.3. Математическое моделирование дифференциальной динамики
гальванического процесса восстановления посадочных мест
коренных опор автотракторных двигателей на основе
обработки экспериментальных данных 162
Постановка задачи апостериорного моделирования динамики гальванического процесса 162
Вычислительная схема идентификации уравнений состояния гальванического процесса 167
Расчёт оптимального режима электролиза для восстановления коренных опор блоков цилиндров 172
Результаты апостериорного моделирования динамики гальванического процесса 174
Построение оптимального режима осаждения гальванического цинк-железного покрытия на базе математического моделирования электролитического процесса 181
Результаты производственных испытаний 184
Область применения технологии восстановления деталей контактно-проточным способом 187
3.6. Технология восстановления посадочных мест
корпусных деталей машин в сельском хозяйстве
гальваническими покрытиями 190
ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОСАДОЧНЫХ МЕСТ КОРЕННЫХ ОПОР АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Расчет производственных затрат 196
Расчет затрат на электроэнергию 197
4.3 Расчет стоимости восстановления по способам
нанесения гальванических покрытий 198
4.4. Расчет годовой эффективности восстановления
посадочных мест коренных опор блоков цилиндров 202
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 204
ЛИТЕРАТУРА 205
ПРИЛОЖЕНИЕ 223
Введение к работе
Актуальность темы. Ремонт сельскохозяйственной техники является одним из важнейших вопросов, связанных с поддержанием работоспособности парка машин, используемых в народном хозяйстве страны. Высокое оснащение СПМ высокопроизводительными машинами и механизмами обязывает современное ремонтное производство повышать свой технический уровень технологии ремонта, всемерно совершенствовать организацию производства, расширять технические возможности производства путем внедрения новой техники и прогрессивной технологии. Повышению срока службы деталей и машин в целом, наукой и практикой придается огромное значение. Поэтому ремонт является объективной необходимостью поддержания в работоспособном состоянии современных машин.
Одним из главных условий, обеспечивающих высокий уровень организации ремонта сельскохозяйственной техники, является правильное и своевременное обеспечение ремонтных предприятий запасными частями. Расходы на запасные части имеют большой вес в общей стоимости ремонта машин. Однако они могут быть значительно сокращены путем широкого использования при ремонте восстановленных деталей. Известно, что полная замена изношенных деталей новыми создает значительные трудности для специализированных заводов-изготовителей запасных частей. Кроме того, такая система неизбежно приводит к большому перерасходу материалов и материальных средств. Поэтому, изыскание эффективных способов восстановления деталей представляет огромный интерес для повышения эффективности сельскохозяйственного производства.
Современная ремонтная база АПК располагает различными способами восстановления изношенных деталей машин. К ним, в первую очередь, относятся: наплавка с помощью электро- и газосварочных установок, вибродуговая наплавка, наплавка под слоем флюса, электролитические покрытия, металлизация напыливанием, электроискровое наращивание, способ пластических деформаций, восстановление с помощью смол, клеев и др. Для вос-
становления первоначальных размеров изношенных деталей приемлем любой из перечисленных способов, с учетом технологических, физико-химических и механических свойств покрытия. В то же время каждый из перечисленных способов имеет ряд преимуществ и существенных недостатков, которые либо создают технические трудности в применении данного способа, либо снижают экономическую эффективность последнего.
В восстановлении деталей, особенно дорогостоящих, экономически целесообразно, так как стоимость заготовки детали при производстве в среднем составляет 70-75% от стоимости детали. Восстановление деталей целесообразно и с экологической точки зрения, так как исключает экологически разрушительный, энергоёмкий металлургический цикл производства, и даёт значительную экономию средств за счёт более низкой себестоимости по сравнению со стоимостью новой детали. Основной источник экономической эффективности ремонта заключается в восстановлении изношенных деталей. Как следствие, необходимо развитие как фирменного ремонта, так и создание специализированных предприятий по восстановлению деталей с высоким уровнем качества восстановленных поверхностей детали.
Поэтому спрос о наиболее экономичном способе восстановления деталей имеет большое народнохозяйственное значение [1,88]. Выбракованные детали представляют вторичное сырье, пригодное для организации новой отрасли ремонтного производства — централизованного восстановления деталей, которое все шире находит применение в ремонтном деле. При этом необходимо отметить, что решающее значение при производстве ремонта машин имеет быстрое и экономичное восстановление изношенных посадочных мест под подшипники крупногабаритных корпусных деталей, как наиболее ответственных и дорогостоящих. К ним можно отнести картер двигателей внутреннего сгорания машин, картер коробки перемены передач, картер заднего моста, ступицы, валы, крышки и т.д.
Важный фактор, влияющий на качество ремонта машин — устранение дефектов корпусных и базовых деталей, связанных с потерей точности по взаимному расположению поверхностей современными методами. Посколь-
ку изнашивание поверхностей и старение материала деталей приводит к нарушению исходной посадки, что проявляется в увеличении зазора в соединениях с ним, или уменьшению натяга в соединениях сопряжения с натягом.
Для поддержания в работоспособном состоянии техники, требуется создание технических центров и разработка эффективных способов восстановления деталей. В настоящее время надёжность отремонтированных машин пока ниже новых. Это объясняется многими факторами, основными из которых являются: нарушение технических условий посадок сопряжённых деталей и их взаимного расположения посадочных и привалочных поверхностей. Так как долговечность машин и сроки службы их деталей в значительной степени определяются техническим состоянием базисных и корпусных деталей, поэтому при ремонте необходимо контролировать и восстанавливать рабочие параметры этих деталей.
Каждая корпусная деталь имеет несколько посадочных отверстий под подшипники, стаканы подшипников под вкладыши и износ этих отверстий служит причиной выбраковки этих дорогостоящих деталей. В зависимости от своих возможностей применяют различные технологические процессы восстановления отверстий. В последнее время появились работы, посвященные разработки новых технологических процессов восстановления посадочных отверстий корпусных деталей [6,64,103,172,167]. Наибольшее признание в работе получили гальванические способы, позволяющие получать покрытия любой толщены в пределах от 0,01 до 1 мм [2,83]. Проблема более полного использования остаточного ресурса крупногабаритных базисных деталей является в настоящее время весьма существенной в вопросах повышения долговечности машин. Это ещё возможно объяснить тем, что такие детали относятся к категории дорогостоящих и сложных в изготовлении. Наибольшее распространение в ремонтной практике получили следующие способы восстановления посадочных мест корпусных деталей:
а) наварка гнезд латунью [64,116,165]; и полуколец в предварительно расточенное гнездо;
б) растачивание гнезд путем смещения их оси к плоскости разъема
блока (у двигателей) с головкой [6];
в) постановка колец
г) восстановление первоначальных размеров посадочных мест пу
тем применения эпоксидных смол, клеев и пр. [69,78];
д) гальванический способ [95,96,131].
Существующие способы восстановления посадочных мест корпусных деталей являются далеко несовершенными, и требуют дорогого оборудования, дефицитного материала и экономически невыгодны. Некоторые из существующих способов невозможно применить для восстановления в связи со структурными изменениями и искажениями геометрической поверхности восстанавливаемой детали, вследствие высоких температур.
В ремонтной практике актуальной задачей является восстановление посадочных мест блоков цилиндров автотракторных двигателей. Единственно возможным способом восстановления посадочных мест блоков цилиндров, имеющих износ внутренних поверхностей, следует считать гальванический, так как другие способы не обеспечивают требуемых свойств покрытий [10,11,12]. Поэтому поиски в области выбора дешевого оборудования, простого технологического процесса, так и более дешевого материала для восстановления посадочных мест корпусных деталей представляют большой теоретический и практический интерес. Одним из таких способов является способ контактно-проточного восстановления гальваническими покрытиями. При этом внимание к вневанному способу получения гальванопокрытий обусловлено тем, что этот способ имеет ряд преимуществ и достоинств [96,98,116]; возможность получения локальных покрытий с заданными свойствами и высокой производительностью. Восстановление деталей гальваническим наращиванием даёт возможность:
получать покрытия с различной твёрдостью и износостойкостью;
создавать равномерные по толщине покрытия по всей наращиваемой поверхности, что снижает затраты на последующую обработку;
одновременно восстанавливать достаточно большое количество деталей, что значительно снижает производственные затраты на каждое изделие;
автоматизировать процесс, что гарантирует получение качественных покрытий требуемой толщины и с заданными механическими свойствами.
Перспективным способом восстановления и упрочнения деталей машин, наиболее полно удовлетворяющим требованиям ремонтного производства, является нанесение электролитических покрытий. Повышение износостойкости покрытий позволяет расширить номенклатуру восстанавливаемых деталей и увеличить ресурс сопряжении. Из гальванических способов восстановления деталей распространение в ремонтном производстве получили: хромирование, железнение, никелирование, меднение, кадмирование, лужение, покрытие сплавами, таблица 1.
Более широкое распространение в ремонтном производстве имеет использование гальванических процессов при восстановлении изношенных деталей вневанными методами [101,167]. Струйные и проточные способы восстановления деталей характеризуются принудительной циркуляцией электролита, что обеспечивает повышение производительности в 3,5^-4 раза, высокую равномерность покрытия до 1 мм на сторону. Проточные методы нанесения покрытия, благодаря интенсивному обновлению электролита и равномерному распределению тока повышенной плотности, способствует получению мелкодисперсной структуры, покрытий с повышенной твердостью, снижению в них остаточных напряжений [101,167,173].При восстановлении крупногабаритных деталей сложной конструкции (блоки цилиндров, корпуса коробок передач и задних мостов, коленчатых валов и др.) возникают трудности, которые связаны с изоляцией мест, не подлежащих покрытию, сложной конфигурацией подвесных устройств, необходимость иметь ванны больших размеров, быстрым загрязнением электролита и др.
Таблица 1. Технические характеристики гальванических процессов, применяемых в ремонтном производстве
Для восстановления дефектов таких деталей, как, например, размеров отверстий под подшипники в корпусах машин, применяют вневанный способ. Сущность вневанного способа в проточном электролите нанесением гальванических покрытий заключается в том, что в зоне восстанавливаемой поверхности создается местная ванна, через которую насосом прокачивают электролит. Наибольшая производительность при проточном осаждении металлов достигается когда создается турбулентный режим течения электролита, достигаемый при скорости протекания электролита более 1 м-с"1 [172].
Прогрессивные технологические приемы нанесения покрытий путем электролиза раствора периодическим током с обратным импульсом, которые позволяют повысить производительность процесса, улучшить качество покрытий. Большой интерес для практики представляет осаждение металла при реверсивном, ассиметричном и импульсном токах. Разработано много форм кривых периодического тока, существенно отличающихся по эффективности воздействия на электродный процесс, и способов их получения.
Поэтому, основной мотивацией диссертационного исследования является теоретико-экспериментальное обоснование оптимального по энергоматериальным затратам технологического процесса восстановления корпусных деталей сельскохозяйственной техники в управляемых режимах нестационарных гальванических сплавов контактно-проточным способом.
Цель работы: разработка эффективного ресурсосберегающего управляемого технологического процесса восстановления посадочных мест корпусных деталей осаждением гальванического цинк-железного покрытия.
В соответствии с целью работы и состоянием вопроса поставлены следующие теоретико-прикладные задачи исследования:
провести экспериментальные исследования износов посадочных мест корпусных деталей машин;
провести теоретическое и экспериментальное исследование способов электролитического нанесения гальванических покрытий и определение их физико-механических свойств;
разработать математическую модель динамики электролитического процесса нанесения гальванических покрытий;
разработка оптимального по энерго-материальным затратам режима электролиза.
Объект исследования: технологический процесс восстановления посадочных мест гальваническими покрытиями в условиях нестационарной среды электролиза.
Предмет исследования: корпусные детали машин сельского хозяйства, на примере блока цилиндров двигателя.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории электролитических покрытий, линейной алгебры, теорий реализации и идентификации дифференциальных моделей, теории оптимальных динамических систем.
Достоверность результатов диссертации подтверждается корректным обоснованием постановок задач и базируется на использовании общепризнанных аппаратов исследования, апробированных ранее большим числом авторов в задачах идентификации математических моделей. Все основные допущения, принятые в работе, являются традиционными и общепринятыми в теории многофазной динамики электролиза в условиях нестационарной реагирующей среды электролита. Результаты, полученные в диссертационной работе и сформулированные в ней выводы, находятся в соответствии с логикой физических рассуждений.
Научная новизна работы:
модель динамики электролитического процесса восстановления посадочных мест корпусных деталей гальваническим цинк-железным сплавом.
структурно-параметрическая идентификация уравнений динамики нестационарного электролитического процесса восстановления деталей цинк-железным гальваническим покрытием;
- гальваническая установка, для получения электролитических по
крытий проточно-контактным способом;
- ресурсосберегающая технология восстановления посадочных мест корпусных деталей, нанесением гальванических цинк-железных покрытий.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты доведены до алгоритмов технологии, позволяющих использовать их в качестве перспективных ресурсосберегающих технологий для автоматизированных линий нестационарного гальванического процесса восстановления деталей машин АПК.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.
Первая глава посвящена аналитическому обзору литературы по электролитическим способам восстановления деталей, исследованию износов посадочных мест блоков цилиндров двигателей и обзору современного состояния исследований в области математического моделирования сложных физико-химических процессов, поскольку с совмещением двух гальванических способов электронатирания и получения сплавов в проточном электролите с механическим сглаживанием поверхности покрытия встает задача как по экспериментальному так и теоретическому исследованию математической модели управляемой динамики электролиза, а также определения ее оптимальных параметров.
В главе показано, что задача апостериорного моделирования управляемой динамики гальванического процесса, с одной стороны, вызвана тем, что режим электролиза может иметь неоднородность своей физико-механической структуры во взаимосвязи с химической средой и, следовательно, встаёт задача текущего прогнозирования математической модели дифференциальных уравнений состояния гальванического процесса. С другой стороны, сам факт «неизбежности» изменения режима состояния среды действия электролитического процесса обуславливает постановку моделирования его динамики, адаптирующейся к данным изменениям на основе параметрической идентификации дифференциальной модели гальванического процесса.
Основной вывод главы - задачи выбора технологического процесса восстановления посадочных мест коренных опор блоков цилиндров, структурного обоснования математической модели динамики электролитического процесса, идентификации её параметров и, в конечном итоге, оптимизации (на базе идентифицированной модели) режима электролиза необходимо рассматривать единым взаимоувязанным комплексом.
Во второй главе изложены современные методики анализа качества гальванических покрытий. Показано, что физико-механические свойства гальванических покрытий зависят от состава электролита и режима электролитов и режимов электролиза. Обоснована необходимость исследования свойств покрытий в зависимости от различных параметров электролитического процесса.
Третья глава посвящена результатам экспериментальных исследований по определению взаимосвязи режимов электролиза и свойств гальванических покрытий, а так же математическому моделированию динамики электролитического процесса (МДЭП), описываемой системой обыкновенных дифференциальных уравнений, обусловленных сложной взаимосвязью кинетики химических реакций, гидродинамики и массопередачи в потоке электролита, кинематики пластин электродов, а также влиянием на все эти процессы электрического поля пары «анод-катод». При этом в качестве экспериментальной базы выступала серия натурных экспериментов по восстановлению посадочных мест коренных опор блоков цилиндров гальваническими покрытиями. В главе в терминах теории реализации динамических систем предложена математическая процедура, поиска структуры МДЭП в классе линейных систем, а также разработаны два алгоритма параметрической идентификации уравнений МДЭП. Конечным итогом исследований данной главы служит процедура построения оптимального ресурсосберегающего режима нанесения гальванических покрытий, представляющих собой цинк-железный сплав.
В четвертой главе приведены расчеты экономической эффективности от внедрения предлагаемого оптимального гальванического процесса восстановления посадочных мест коренных опор блоков цилиндров автотракторных двигателей. Экономический эффект достигнут за счет оптимизации параметров гальванического процесса.
Заключение. Сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.
Внедрение. Полученные в диссертации результаты прошли проверку в ходе научно-исследовательских и хоздоговорных работ (с актами внедрения):
институт динамики систем и теории управления СО РАН (моделирование динамики нестационарного электролиза в рамках грант-контрактов Российского фонда фундаментальных исследований: проект № 05-01-00623 -"Динамический анализ и структурная идентификация сложных механических систем" и Программы фундаментальных исследований № 19 Президиума РАН: проект 2.5 - "Развитие методов управления нелинейными логико-динамическими системами");
ОАО «Касьяновский авторемонтный завод» акт внедрения научно-исследовательской работы: «Технология восстановления коренных опор блоков автомобильных двигателей и нижних отверстий шатунов гальваническими сплавами в проточном электролите», от 19 марта 2005 г.;
ОАО «Свирский завод автоспецоборудования» внедрен технологический процесс восстановления посадочных мест блоков цилиндров автомобильных двигателей, акт внедрения от 20 декабря 2004г.;
ФГУ ДЭП № 155 проведены эксплуатационные испытания показателей работоспособности покрытий из гальванических сплавов, акт испытаний 19 марта 2005 года;
используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия».
Апробация работы. Материалы исследований докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях Иркутской государственной сельскохозяйственной академии (2001-2005), Иркутского государственного технического университета (2003-2005), на семинарах Института динамики систем и теории управления СО РАН (2005), Красноярского государственного аграрного университета (2006) и Восточно-Сибирского государственного технологического университета (Улан-Удэ, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ общим объемом 2,9 печатного листа.
