Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы, постановка цели и задач исследования 20
1.1 Анализ причин потери работоспособности агрегатов навесных гидросистем тракторов 20
1.2 Анализ методов определения предельных и допустимых без ремонта размеров рабочих поверхностей деталей 43
1.3 Анализ способов ремонта гидроагрегатов и повышения их долговечности 50
1.4 Перспективы применения метода электроискровой обработки в ремонтном производстве 67
1.5 Характеристики покрытий, образованных в процессе электроискровой обработки 70
1.5.1 Общие закономерности формирования электроискровых покрытий на катоде 70
1.5.2 Кинетика формирования электроискровых покрытий на поверхности детали 71
1.5.3 Микротвердость электроискровых покрытий 76
1.5.4 Микрогеометрия покрытий, сформированных методом электроискровой обработки 80
1.6 Выводы по главе 1, цель и задачи исследования 82
2 Научное обоснование повышения долговечности агрегатов навесных гидросистем тракторов 86
2.1 Средний полный ресурс агрегатов навесных гидросистем за период эксплуатации 86
2.2 Расчетно-экспериментальная оценка повышения износостойкости рабочих поверхностей деталей гидроагрегатов 90
2.2.1 Условия взаимодействия рабочих поверхностей деталей ресурсоопределяющих сопряжений агрегатов навесных гидросистем тракторов 90
2.2.2 Пути снижения интенсивности изнашивания рабочих поверхностей деталей пар трения гидроагрегатов 100
2.3 Прогноз среднего ресурса отремонтированных гидроагрегатов по результатам лабораторных испытаний образцов пар трения и эксплуатационных наблюдений 109
2.4 Технологические аспекты формирования электроискровых покрытий для восстановления и упрочнения рабочих поверхностей деталей 121
2.4.1 Механизм процесса электроискровой обработки с применением генераторов импульсного тока с контактным началом разряда 121
2.4.2 Особенности формирования электроискровых покрытий при механизированной обработке стержневым вращающимся электродом 129
2.5 Выводы по главе 2 138
3 Программа и методики экспериментальных исследований 142
3.1 Программа исследований 142
3.2 Исследование технического состояния бывших в эксплуатации агрегатов навесных гидросистем тракторов 145
3.2.1 Методики стендовой оценки параметров работоспособности гидроагрегатов 147
3.2.2 Методика микрометражных исследований износов и дефектов деталей гидроагрегатов 154
3.3 Методика оценки толщины и качества электроискровых покрытий 164
3.4 Методика оценки значений параметров шероховатости поверхностей 169
3.5 Исследование микротвердости покрытий, образованных методом электроискровой обработки 174
3.6 Методика определения пластических свойств поверхностей образцов 179
3.7 Методика определения условного предела текучести поверхностей образцов 182
3.8 Методика определения удельной сдвиговой прочности молекулярных связей на границе раздела двух твердых тел 184
3.9 Методика оценки фрикционной усталости поверхностей образцов 190
3.10 Лабораторные триботехнические испытания образцов пар трения 192
3.11 Оценка показателей технического ресурса новых и отремонтированных агрегатов навесных гидросистем тракторов сельскохозяйственного назначения в условиях рядовой эксплуатации 195
3.12 Выводы к главе 3 199
4 Результаты экспериментальных исследований 202
4.1 Оценка технического состояния бывших в эксплуатации агрегатов навесных гидросистем тракторов 202
4.1.1 Техническое состояние круглых шестеренных насосов 202
4.1.2 Техническое состояние гидрораспределителей 218
4.1.3 Техническое состояние гидроцилиндров 241
4.2 Моделирование связи толщины электроискровых покрытий с факторами, определяющими ее значение 251
4.2.1 Исследование влияния технологических факторов на толщину покрытий при ручной электроискровой обработке 252
4.2.2 Исследование влияния технологических факторов на толщину покрытий при механизированной электроискровой обработке 265
4.3 Оценка параметров шероховатости рабочих поверхностей деталей пар трения 273
4.4 Оценка механических свойств поверхностных слоев образцов пар трения 283
4.4.1 Микротвердость 283
4.4.2 Относительное удлинение поверхностных слоев 302
4.4.3 Условный предел текучести 304
4.5 Исследование фрикционных свойств поверхностей деталей пар трения 305
4.5.1 Удельная сдвиговая прочность молекулярных связей 305
4.5.2 Фрикционная усталость 310
4.5.3 Коэффициент трения и интенсивность изнашивания 313
4.6 Оценка гамма-процентного ресурса агрегатов навесных гидросистем тракторов сельскохозяйственного назначения в доремонтный и межремонтный периоды рядовой эксплуатации 325
4.6.1 Оценка гамма-процентного ресурса круглых шестеренных насосов 325
4.6.2 Оценка гамма-процентного ресурса клапанно-золотниковых гидрораспределителей 329
4.6.3 Оценка гамма-процентного ресурса гидроцилиндров серии С 333
4.7 Выводы к главе 4 338
5 Производственная апробация технологических рекомендаций и средств ремонта агрегатов навесных гидросистем тракторов 344
5.1 Технологические рекомендации по ремонту агрегатов навесных гидросистем тракторов 344
5.1.1 Технологические рекомендации по ремонту круглых шестеренных насосов (на примере насоса НШ32 А) 344
5.1.2 Технологические рекомендации по ремонту клапанно-золотниковых гидрораспределителей (на примере гидрораспределителя Р80) 354
5.1.3 Технологические рекомендации по ремонту гидроцилиндров серии С (на примере гидроцилиндра С100) 361
5.2 Модернизация устройств технологического оснащения производственных участков по ремонту гидроагрегатов 365
5.2.1 Устройства для электроискровой обработки 365
5.2.2 Устройства для оснащения участков по ремонту агрегатов навесных тракторов 372
5.3 Производственная апробация технологических рекомендаций и средств ремонта на предприятиях технического сервиса АПК 377
5.4 Выводы к главе 5 380
6 Технико - экономическая оценка эффективности разработанных технологий 382
6.1 Себестоимость ремонта агрегатов навесных гидросистем тракторов 382
6.2 Проектно-финансовый анализ инвестиционной привлекательности для ремонтного производства новых технологий ремонта агрегатов навесных гидросистем тракторов 388
6.3 Выводы к главе 6 395
Заключение 396
Список литературы 402
Приложения 434
- Анализ причин потери работоспособности агрегатов навесных гидросистем тракторов
- Методика определения удельной сдвиговой прочности молекулярных связей на границе раздела двух твердых тел
- Оценка параметров шероховатости рабочих поверхностей деталей пар трения
- Устройства для электроискровой обработки
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В Доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации, которую утвердил Президент России 30 января 2010 года, указано на необходимость устойчивого развития отечественного производства продовольствия и сырья. Выполнение задач, определенных Доктриной, решает технический потенциал села и его управляющая структура – инженерно-техническая система, в которой значительная роль отводится эффективному использованию имеющегося парка машин и поддержанию его технического уровня за счет квалифицированного обслуживания и ремонта.
Однако, в связи с изменением государственного устройства и господствующих производственных отношений, планово-предупредительная система технического обслуживания машин с плановыми текущими и капитальными ремонтами трансформировалась в систему с заменой агрегатов и узлов по потребности. При этом существовавшая система ремонта и восстановления деталей, ориентированная главным образом на специализацию и организацию технологического процесса на промышленной основе, утратила свою практическую значимость. Технологические линии всех известных специализированных цехов ремонтных предприятий «Сельхозтехники» остановлены.
В результате произошло перераспределение объемов ремонта машинно-тракторного парка агропромышленного комплекса (АПК) между мастерскими хозяйств и оставшимися ремонтными предприятиями, которое, по оценкам специалистов, привело к резкому снижению качества ремонта и увеличению расходов на поддержание техники в работоспособном состоянии.
Для выхода из создавшейся ситуации в ГОСНИТИ под руководством
академика В. И. Черноиванова разработана «Концепция модернизации
инженерно-технической системы сельского хозяйства России на период до 2020
года», направленная на создание предприятий технического сервиса АПК,
выступающих в роли универсальных центров, обеспечивающих
высокоресурсный ремонт сложных узлов и агрегатов отечественной и зарубежной техники.
Особое место в этом процессе отводится разработке инновационных технологических решений ремонта агрегатов навесных гидросистем тракторов, доля отказов которых составляет от 25 до 38 % от общего числа отказов тракторов. По данным областных, краевых и республиканских формирований АПК, из-за отсутствия эффективных технологий и оборудования ежегодно списывается более 120 тыс. насосов, гидрораспределителей и гидроцилиндров отечественной и зарубежной сельскохозяйственной техники на сумму более 1 миллиарда рублей.
В современных условиях хозяйствования ремонтное производство крайне остро нуждается в разработке и внедрении универсальных технологий и средств их реализации, обеспечивающих повышение среднего межремонтного ресурса гидроагрегатов до уровня доремонтного. Низкокачественный
контрафакт и высокая стоимость способствуют увеличению числа
предприятий, которые готовы внедрять новые высокоэффективные технологии
ремонта гидроагрегатов и получать от этого экономические выгоды, а
сельхозтоваропроизводители – качественно отремонтированные
гидрокомплекты, при стоимости ремонта не более 25 – 30 % от стоимости новых.
Для современных предприятий, обеспечивающих высокоресурсный
ремонт сложных узлов и агрегатов отечественной и зарубежной техники,
предпочтительными являются универсальные, ресурсосберегающие,
экологически безопасные технологические процессы с применением методов восстановления деталей, основанных на использовании термических источников энергии с удельной мощностью в пятне нагрева более 102 Вт/мм2.
Одним из перспективных и широко востребованных электрофизических
методов модификации металлических поверхностей является электроискровая
обработка (ЭИО), которая, благодаря исследованиям профессора
Ф. Х. Бурумкулова и его учеников, сформировалась как самостоятельное
направление, включающее наплавку и (или) упрочнение рабочих поверхностей
деталей. Применение в качестве наплавочных электродов любых
токопроводящих материалов позволяет формировать покрытия с заданными физико-механическими и триботехническими свойствами.
Таким образом, очевидно, что разработка и внедрение универсальных технологий, обеспечивающих повышение долговечности агрегатов навесных гидросистем тракторов за счет повышения среднего межремонтного ресурса до уровня доремонтного, является важнейшей народнохозяйственной задачей, решение которой вносит значительный вклад в устойчивое развитие производства отечественного продовольствия и сырья, достаточное для обеспечения продовольственной независимости страны.
Степень разработанности темы. Систематизация материалов
проведена на основании анализа работ известных ученых в области ремонта и восстановления деталей машин Батищева А. Н., Бурумкулова Ф. Х., Голубева И. Г., Коломейченко А. В., Латыпова Р. А., Лезина П.П., Лялякина В. П., Нафикова М. З., Сайфуллина Р. Н., Сенина П. В., Фархшатова М. Н., Черноиванова В. И., Юдина В. М. и др. Авторы схожи во мнении, что ремонт агрегатов с восстановлением и упрочнением деталей является серьезной, далеко не реализованной научной проблемой, решающей важные народнохозяйственные задачи.
Значительный вклад в изучение проблем повышения надежности и
долговечности агрегатов навесных гидросистем тракторов внесли
Барышев В. И., Вегера В. П., Дидур В. А., Лозовский В. Н., Черкун В. Е., Янсон В. М. и др. Труды известных ученых в большей степени подчеркивают актуальность проблемы, однако задача ремонта агрегатов навесных гидросистем тракторов, обеспечивающих средний межремонтный ресурс на уровне доремонтного, в настоящее время не решена.
При исследовании механизма формирования электроискровых покрытий и их свойств приняты во внимание фундаментальные труды отечественных
ученых Бакуто И. А., Верхотурова А. Д., Петрова Ю. Н., Золотых Б. Н., Лазаренко Б. Р. и Н. И., Палатника Л. С., Самсонова Г. В., Сафронова И. И. и др. Изучением вопроса применения электроискровой обработки для восстановления деталей сельскохозяйственной техники в начале 1950-х годов занимались Алиев А. Э. и Поляченко А. В., а затем в других отраслях промышленности Иванов Г. П., Косенко А. Г., Новиков Ю. Н., Снежков В. А., Хабибуллина Н. В. и др. По результатам этих работ были выработаны рекомендации для восстановления и упрочнения деталей, но они, по ряду причин, не получили поддержки у ремонтников.
Исследования проведены в соответствии с темами НИР государственного задания:
– Россельхозакадемии: № 04.02.26 «Разработать методы повышения
надежности деталей и сопряжений гидрораспределителей с круглыми и
плоскими золотниками типа Р75/80 и Р-12П»; № 04.02.26 «Разработать методы
повышения надежности деталей и сопряжений овальных насосов типа НШ-У с
применением электроискровых технологий»; № 03-14-11 «Провести
рентгеноструктурные и металлографические исследования нанокомпозитных покрытий на поверхности стали 20Х, образованных при электроискровой обработке компактными электродами из стали 65Г и Св 08»; № 09.04.03.04 «Разработать типовую технологию ремонта гидроцилиндров Ц-55, Ц-75, Ц-75Б, Ц-90, Ц-100, Ц-110, Ц-125 с восстановлением и упрочнением изношенных деталей комбинированными методами»;
– Министерства образования и науки РФ: № 7.5566.2011 «Исследование
структуры и свойств новых нанокомпозитных материалов, полученных с
использованием источников концентрированной энергии»; проект 2957
«Исследование технологической основы формирования функциональных
покрытий с использованием электрофизических методов и их
комбинированием» в рамках базовой части госзадания Минобрнауки РФ № 2014/84; № 11.3416.2017/4.6 «Разработка технологий и средств повышения долговечности деталей, узлов, агрегатов машин и оборудования путем создания наноструктурированных покрытий источниками концентрированной энергии».
Цель работы – повышение долговечности агрегатов навесных гидросистем тракторов путем создания на изношенных поверхностях деталей ресурсоопределяющих сопряжений электроискровых покрытий с высокой износостойкостью.
Объект исследования – средний межремонтный ресурс агрегатов
навесных гидросистем тракторов, отремонтированных с восстановлением и
упрочнением рабочих поверхностей деталей ресурсоопределяющих
сопряжений методом электроискровой обработки.
Предмет исследования – микрогеометрические характеристики и
механические, фрикционные, триботехнические свойства покрытий,
сформированных методом электроискровой обработки.
Научную новизну работы представляют:
1. Статистические связи параметра работоспособности гидроагрегатов с износами рабочих поверхностей деталей.
-
Результаты расчетно-экспериментальной оценки износостойкости новых и восстановленных с применением метода электроискровой обработки рабочих поверхностей деталей ресурсоопределяющих сопряжений агрегатов навесных гидросистем тракторов.
-
Математические модели связи толщины покрытий с параметрами технологических режимов при ручной и механизированной электроискровой обработке.
-
Вероятностно-статистическая оценка опорной поверхности профиля, сформированного при механизированной электроискровой обработке.
-
Механические, фрикционные и триботехнические свойства измененного поверхностного слоя, сформированного методом электроискровой обработки.
-
Параметры законов распределения средних ресурсов агрегатов навесных гидросистем тракторов в доремонтный и межремонтный периоды рядовой эксплуатации.
Практическую значимость работы представляют:
1. Значения предельных размеров деталей агрегатов навесных
гидросистем тракторов.
2. Оптимальные режимы формирования электроискровых покрытий при
ручной и механизированной обработке, функционально пригодных для
восстановления изношенных рабочих поверхностей деталей гидроагрегатов.
3. Высокоэффективные технологии и средства ремонта круглых
шестеренных насосов, клапанно-золотниковых гидрораспределителей,
поршневых гидроцилиндров с восстановлением и упрочнением деталей
методом электроискровой обработки.
Методология и методики исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием известных методов статистического анализа и положений теории надежности, молекулярно-механической теории трения и физической природы механизма электрической эрозии материалов.
Экспериментальные исследования выполнены по общим и частным методикам с использованием современного научно-исследовательского оборудования и средств измерений лаборатории «Технологии и средства создания покрытий с заданными служебными свойствами» ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарева» и наноцентра ФНАЦ ВИМ.
Статистическая обработка результатов исследований проведена с использованием программы «Statistica».
Положения, выносимые на защиту:
-
Статистическая оценка параметров работоспособности, износов и дефектов деталей бывших в эксплуатации агрегатов навесных гидросистем тракторов.
-
Обоснование повышения среднего межремонтного ресурса агрегатов навесных гидросистем тракторов.
-
Технологические аспекты формирования электроискровых покрытий при ручной и механизированной обработке для восстановления и упрочнения рабочих поверхностей деталей.
-
Результаты экспериментальных исследований микрогеометрии, механических, фрикционных и триботехнических свойств покрытий, полученных методом электроискровой обработки.
-
Результаты оценки среднего ресурса агрегатов навесных гидросистем тракторов сельскохозяйственного назначения в доремонтный и межремонтный периоды рядовой эксплуатации.
-
Технологии и средства ремонта агрегатов навесных гидросистем тракторов с восстановлением и упрочнением изношенных рабочих поверхностей деталей методом электроискровой обработки и их технико-экономическая оценка инвестиционной привлекательности для ремонтного производства.
Достоверность результатов исследования основана на всестороннем
анализе выполненных ранее научно-исследовательских работ; соответствии
теории строго доказанным и корректно используемым выводам
фундаментальных и прикладных наук; применении в экспериментальных
исследованиях апробированного научно-методического аппарата и
сертифицированного современного метрологического оборудования;
качественном анализе в сочетании со статистическими методами обработки результатов; репрезентативности выборок.
Результаты, полученные в ходе диссертационного исследования, согласуются с результатами, опубликованными в независимых источниках по тематике исследования, прошли апробацию в печати, на международных и всероссийских научно-практических конференциях и широко используются на практике.
Реализация результатов исследования. В соответствии с 217-ФЗ на базе Института механики и энергетики ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарева» создано и эффективно функционирует малое инновационное предприятие ООО «Агросервис», в основе производственной деятельности которого лежат результаты научных исследований по теме диссертации.
Разработанные технологические процессы внедрены на ремонтных предприятиях: ЗАО Ярославское РТП (г. Ярославль), Вольское ОАО «Сельхозтехника» (г. Вольск, Саратовская обл.), ОАО «Некрасовск-агропромтехснаб» (п. Некрасовский, Ярославская обл.), ОАО «Грачевский завод «Гидроагрегат» (с. Грачевка, Ставропольский кр.), ООО «СОГА» (г. Краснодар, Краснодарский кр.), ОАО «Дальверзинский ремонтный завод» (п. Дальверзин, Респ. Узбекистан), ЗАО «Оскол Политехремонт Сервис» (г. Старый Оскол, Белгородская обл.), ООО «Севертрансэкскавация» (г. Ухта, Респ. Коми), ЗАО «Южно-Уральская промышленная компания» (г. Оренбург).
Материалы диссертационной работы приняты к использованию в учебном процессе Ставропольского ГАУ, Ухтинского ГТУ, Белгородского ГАУ, Калмыцкого ГУ.
Вклад автора в решение проблемы. Диссертация написана единолично, при этом автору принадлежат: разработка концепции высокоресурсного ремонта агрегатов навесных гидросистем тракторов, формулирование цели работы, определение задач и направлений теоретических и экспериментальных
исследований, обобщение результатов и их интерпретация, написание статей, тезисов докладов и патентов.
Совместными являются результаты, полученные в рамках выполнения госбюджетных НИР и договорных внедренческих работ, проводимых по линии РАН и Минобрнауки России, где автор является руководителем или ответственным исполнителем.
Апробация результатов. Результаты диссертационной работы
доложены, обсуждены и одобрены на: заседании подкомитета по
сельскохозяйственному машиностроению Ассоциации экономического
взаимодействия субъектов Российской Федерации «Большая Волга» (г. Кинель, 2002 г.); всероссийских и международных научно-технических конференциях, проводимых в МГУ им. Н. П. Огарева (г. Саранск, 2003–2017 гг.), ГОСНИТИ (г. Москва, 2005–2017 гг.), НПФ «Плазмацентр» (г. С.-Петербург, 2004, 2011, 2016 гг.), Амурском ГУ (г. Благовещенск, 2009 г.), Саратовском Салоне изобретений, инноваций и инвестиций (г. Саратов, 2009 г.), Техническом университете Молдовы (г. Кишинев, 2007 г.); годовых отчетных докладах лаборатории № 11 ГОСНИТИ перед отделением МЭСХ Россельхозакадемии (г. Москва, 2004–2005, 2007–2008, 2013 гг.).
Технологии и средства ремонта экспонировались на всероссийских и международных выставках и салонах: «День Российского поля» (г. Рязань, 2005 г.; г. Саранск, 2006 г.; г. Ростов-на-Дону, 2007 г.), «Архимед» (г. Москва, 2006, 2008, 2010, 2011 гг.), «Золотая осень» (г. Москва, 2006–2013 гг.). За разработку оборудования и технологий ремонта агрегатов отечественной и зарубежной сельскохозяйственной техники, обеспечивающих средний межремонтный ресурс на уровне доремонтного, автор многократно награжден дипломами, золотыми, серебряными и бронзовыми медалями.
Услуги по внедрению на предприятиях технического сервиса новых импортозамещающих, энерго- и ресурсосберегающих технологий ремонта агрегатов сельскохозяйственной техники в 2005, 2006 и 2009 годах отмечены Программой «100 лучших товаров России» в номинации «Услуги производственно-технического назначения».
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 147 научных работах, из них в 2 монографиях, в 27 статьях в изданиях, включенных в «Перечень рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук» ВАК Минобрнауки РФ, в 5 статьях в изданиях, входящих в библиографические и реферативные базы Web of Science и Scopus, в 24 патентах РФ на изобретения и полезные модели. Общий объем публикаций составил 223,7 п. л., из них лично соискателю принадлежат 133,1 п. л.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 433 страницах машинописного текста и содержит 142 рисунка, 132 таблицы, список литературы из 284 наименований и 15 приложений.
Анализ причин потери работоспособности агрегатов навесных гидросистем тракторов
В настоящее время среди производителей агрегатов, которыми комплектуются навесные гидросистемы, можно выделить устоявшихся лидеров, а также ряд динамично развивающихся компаний. Основным производителем и поставщиком на рынок комплектации и запасных частей является компания «Гидросила ГРУП» (Украина), в состав которой входят 5 производственных предприятий: ПАО «Гидросила» – разработка и производство насосов шестеренных; ЧАО «Гидросила АПМ» – разработка и производство аксиально поршневых машин и запасных частей к АПМ; ПАО «Гидросила МЗТГ» – разработка и производство гидрораспределителей; ООО «Гидросила ТЕТИС» – разработка и производство гидроцилиндров; ЗАО «Гидросила ЛЕДА» – разработка и производство рукавов высокого давления. В 2011 году компания «Гидросила ГРУП» произвела более 1,06 млн. шестеренных насосов, 142,3 тыс. гидрораспределителей, использующихся преимущественно на сельскохозяйственной технике, 87,5 тыс. штук гидроцилиндров и 1,5 млн. рукавов высокого давления [78].
Другими заметными производителями гидроагрегатов СНГ являются:
– в сегменте шестеренных насосов: ЗАО «Союзгидравлика» (Россия), ОАО «Житковический моторостроительный завод» (Беларусь), ООО «Асток» (Украина);
– в сегменте гидрораспределителей: ОАО ГМЗ «Агат» (Россия), ОАО «Ковровский электромеханический завод» (Россия), ОАО «Гидроаппарат» (Россия), ОАО Харьковский завод «Стройгидравлика» (Украина), ОАО «Самео-Гомель» (Беларусь);
– в сегменте гидроцилиндров: ОАО «Елецгидроагрегат» (Россия), ОАО «Омскгидропривод» (Россия), ОАО «Зерноградгидроагрегат» (Россия), ЧП «Магистр» (Украина), ООО «Титан 2004» (Украина).
Основными потребителями на рынке комплектации являются тракторные заводы Алтайский, Владимирский, Волгоградский, Кишиневский, Липецкий, Минский, Петербургский, Харьковский, Южный машиностроительный, Омский завод транспортного машиностроения и др. [79]. В конструкциях навесных гидросистем выпускаемых ими тракторов широко применяются круглые шестеренные гидронасосы, клапанно-золотниковые гидравлические распределители и поршневые гидроцилиндры двухстороннего действия.
В последние годы на рынке гидроагрегатов России и СНГ широко представлены гидрораспределители компании Bosh Rexroth, которыми комплектуется модельный ряд тракторов сельскохозяйственного назначения Белорус 1523, 2022, 2522 ДВ, 3022 ДВ и трактор Кировец 744 Р.
Шестеренные насосы и гидроцилиндры зарубежного производства в навесных гидросистемах тракторов практически не применяются. Исключение составляют заводы John Deer, New Holland, Massey Ferguson и др.
Анализируя надежность навесных гидросистем тракторов, установлено, что в условиях эксплуатации имеют место как постепенные отказы, так и внезапные [73].
Появление отказов обусловлено тем, что гидросистема работает в сложных условиях. При этом исключительно большое влияние на долговечность оказывает нагрузочный режим, который определяется величиной давления и характером ее изменения, числом включений и продолжительностью работы под давлением при выполнении трактором различных сельскохозяйственных, погрузочно разгрузочных или иных операций.
Гидравлическая система сельскохозяйственных тракторов, агрегатируемых с почвообрабатывающими орудиями, прицепами, посевными и уборочными машинами, при выполнении тяговых полевых процессов работает 94-98 % времени смены при давлении 0,2-0,35 МПа и 2-6 % – при давлении 7-10 МПа с частотой чередования рабочих циклов (5–45 циклов в час). Время непрерывного нагружения гидросистемы составляет 2,1–3 с, максимальное давление в конце подъема определяется регулировкой предохранительного клапана гидрораспределителя [80].
Средняя годовая работа гидросистемы под нагрузкой для сельскохозяйственных тракторов тягового класса 1,4 составляет 24-29 часов, что соответствует 25-50 тыс. циклов, для тракторов тягового класса 3, соответственно, 17-22 часов и 15-20 тыс. циклов [80].
Промышленный режим характеризуется более интенсивной работой гидросистемы под нагрузкой 10–70 % общего времени при высокой частоте чередования рабочих циклов (20–200 циклов в час) [80]. В промышленном режиме эксплуатируются гидравлические системы тракторных грейферных погрузчиков, измельчителей кормов, разбрасывателей органических удобрений и других активных рабочих органов поступательного и вращательного типа.
Опыт эксплуатации погрузчиков ПЭ-08, режим работы которых относят к тяжелым, показал, что на долю отказов гидросистемы приходится 55,3 % от общего их количества. При этом отказы насоса составляют 1,9 %, гидрораспределителя – 4,5 %, гидроцилиндра – 17,2 %, поворотной муфты – 17,2 %, маслопроводов высокого давления – 14,5 % [73]. Приведенные данные включают как внезапные, так и постепенные отказы гидроагрегатов.
Все процессы, воздействующие на работоспособность гидросистем, можно отнести к следующим категориям: быстропротекающие, средней скорости и медленнопротекающие.
Быстропротекающие процессы характеризуются большими скоростями и периодичностью изменения параметров. Так, например, изменение давления в магистралях гидросистемы движущегося трактора происходит со случайной частотой и амплитудой, которые в 2…3 раза больше, чем у трактора, стоящего на месте [81]. Как правило, быстропротекающие процессы приводят к внезапным отказам.
Процессы средней скорости протекают за время непрерывного цикла работы машин. К таким процессам относятся изменения температуры рабочей среды и рабочего тела, влажности, физических свойств рабочей жидкости и уплотнений. Эти процессы приводят к постепенному изменению характеристик привода.
К медленнопротекающим процессам, которые действуют в течение всего периода эксплуатации, относятся износ трущихся поверхностей, естественное старение и усталость материалов. Они являются, как правило, причинами постепенных отказов.
Для разработки новых высокоресурсных технологий ремонта гидроагрегатов необходимо рассмотреть причины потери их работоспособности.
Насосы шестеренные (НШ) серии А (круглые) предназначены для нагнетания рабочей жидкости в гидравлические системы приводов управления навесными, полунавесными и прицепными орудиями сельскохозяйственных и промышленных тракторов, самоходных сельскохозяйственных и дорожных машин, эксплуатирующихся при большой запыленности.
80-процентный гамма-ресурс круглых шестеренных насосов, нормируемый заводом-изготовителем, составляет 6000 часов, при условии соблюдения правил эксплуатации, технического обслуживания и хранения [84]. Однако в условиях рядовой эксплуатации 80-процентный гамма-ресурс не превышает 1800…2200 часов [85].
Насосы НШ серии А (рис. 1.2) состоят из корпуса 1, разгруженного от воздействия шестерен, в который помещен качающий узел, состоящий из подшипниковой 12 и поджимной 20 обойм, ведущей 2 и ведомой 10 шестерен, двух платиков 11.
Анализ конструкции (рис. 1.2) и принципа работы круглых шестеренных насосов показал, что наиболее нагруженными элементами являются поверхности под цапфами шестерен подшипниковой 12 и поджимной 20 полуобойм, на которые действуют радиальные статические силы перепада давления жидкости на внешние цилиндрические поверхности шестерен 2, 10 и механические силы, обусловленные реакцией от вращающего момента.
От действия этих сил в результате износа посадочных мест под цапфы происходит некоторый разворот поджимной обоймы 20, в результате чего она не прижимается к подшипниковой 12, образуется зазор между наружным диаметром ведомой шестерни 10 и поверхностью поджимной обоймы 20, через который перетекает масло.
Методика определения удельной сдвиговой прочности молекулярных связей на границе раздела двух твердых тел
Для определения удельной сдвиговой прочности молекулярных связей на границе раздела двух твердых тел наиболее широкое распространение получил способ, заключающийся в том, что при определении сопротивления относительному движению исключаются или сводятся к пренебрежимо малой величине сопротивления, обусловленные деформированием поверхностных слоев. Этого можно достигнуть, если шаровой индентор 1 (рис. 3.23), запрессованный в оправку 3, сдавливать между плоскопараллельными образцами 2 нормальной силой FN и одновременно его вращать [189].
Исследования проводили на образцах без покрытий, изготовленных из материалов деталей пар трения гидроагрегатов, и с покрытиями, нанесенными методом ЭИО и ФАБО. Требования к образцам представлены в таблице 3.12.
Плоские образцы размером 2040 мм и толщиной не менее 7 мм изготавливали из изнашиваемых материалов образцов (табл. 3.12). Рабочие поверхности обрабатывали в зависимости от требований к качеству поверхностей деталей пар трения (табл. 3.12).
Индентор в виде шара изготавливали из изнашивающих материалов пар трения (табл. 3.12).
Для проведения эксперимента диаметр шара принимали равным не менее 15 мм с целью удобства дальнейшей его механической обработки.
Затем шаровой индентор запрессовывали в оправку в виде шкива радиусом 25 мм, по окружности которого пропускали трос 02 мм. Один конец троса крепили к оправке, а противоположный к электронному динамометру Sauter FL 200. Затем плавно, без рывков тянули за динамометр и фиксировали значение силы трения Fтр.
Все устройство смонтировано на разрывной машине Hegewald&Peschke, которая обеспечивает плавную нормальную нагрузку на плоские образцы с точностью до 1 Н (рис. 3.24).
Учитывая, что в таком диапазоне изменения диаметров отпечатков средние напряжения на контакте неизменны и равны твердости, нагрузки, при которых необходимо проводить испытания при пластическом или упруго-пластическом контакте, изменяются в пределах
В таблице 3.13 представлены значения нормальной нагрузки FN, принятые для проведения испытаний, с учетом условия 3.27.
Величина касательных напряжений по измеренной силе трения, необходимой для вращения относительно оси симметрии, перпендикулярной к рабочим поверхностям плоских образцов, определяется соотношением [189]:
Диаметры отпечатков измеряли с помощью анализатора фрагментов микроструктуры твердых тел Siams 700 (рис. 3.21, а) на базе оптического микроскопа Olympus GX51.
Фрикционные параметры т0 и р в формуле 4.41 определяли методом разгрузки графически [189]. Для этого находили координаты тп и рг первой точки функции тn = ц/(pr). При пластических и упруго-пластических деформациях в зоне контакта значение рг вычисляется по формуле:
Затем, незначительно, на 15 - 20 % снижали нормальную нагрузку и снова по формулам 3.28 и 3.29 определяли значения тп и рг.
По полученным координатам точек, в программе «Компас-3 », строили график зависимости тп =у/(рг) (рис. 3.25).
Фрикционные параметры 0 и находили следующим образом. Определив в программе «Компас-3D» угол наклона W отрезка к оси pr , по квадрату тангенса этого угла находили параметр . Пересечение прямой с осью n дает значение параметра 0 .
Затем по найденным значениям фрикционных параметров 0 и определяли величину касательных напряжений п изнашиваемого образца по формуле 4.41.
Оценка параметров шероховатости рабочих поверхностей деталей пар трения
Оценку параметров шероховатости проводили для поверхностей после механической и электроискровой обработки в соответствии с методикой, описанной в пункте 3.4 главы 3.
В таблице 4.46 представлены значения параметров шероховатости профилей, сформированных после механической обработки новых деталей гидроагрегатов. Представленные значения обобщены по 42 профилограммам, снятым в продольном направлении относительно направления подачи.
Полученные результаты измерений согласуются с параметрами шероховатости, указанными на рабочих чертежах деталей, и коррелируют с результатами исследований поверхностей после различных видов механической обработки Комбалова В. С. [175] и Рыжова Э. В. [253].
В таблице 4.47 представлены результаты статистической оценки комплексной характеристики шероховатости электроискровых покрытий, сформированных различными антифрикционными материалами с использованием генератора «ALIER-31» без последующей механической обработки.
Из таблицы 4.47 видно, что для всех исследуемых групп измерений комплексной характеристики шероховатости уровень значимости критерия Шапиро-Уилка pw больше /? = 0,05, что подтверждает нулевую гипотезу о нормальном распределении значений измерений в группах.
Значения уровня значимости критерия Левина двух исследуемых групп измерений параметров шероховатости рЛ больше принятого значения уровня значимости р = 0,05, что подтверждает нулевую гипотезу о присутствии однородности дисперсий.
Таким образом, применение ґ-критерия Стьюдента для сравнения средних значений параметров шероховатости двух групп измерений правомерно.
Из таблицы 4.47 видно, что уровень значимости ґ-критерия Стьюдента сравнения средних двух выборок больше принятого значения pt = 0,05, т. е. имеет место нулевая гипотеза о равенстве средних.
Основываясь на полученных результатах, можно сделать вывод, что комплексные характеристики шероховатости покрытий, сформированных принятыми для исследований материалами электродов, статистически значимо не отличаются. Следовательно, выборки значений комплексных характеристик шероховатости покрытий можно объединить.
Конечной задачей статистической оценки комплексной характеристики шероховатости покрытий, не подлежащих последующей механической обработке, является выявление по ґ-критерию Стьюдента ее статистической разницы для покрытий, сформированных на 2, 3 и 4 режимах генератора «ALIER-31».
Из таблицы 4.48 видно, что уровень значимости ґ-критерия Стьюдента сравнения средних значений двух выборок комплексного параметра шероховатости покрытий, сформированных на 2 и 3, на 3 и 4 режимах генератора «ALIER-31», меньше принятого значения р = 0,05, т. е. средние значения выборок отличаются статистически значимо.
Таким образом, с высокой степенью достоверности можно утверждать, что на параметры шероховатости покрытий, сформированных методом ЭИО, статистически значимо влияют энергетические режимы генератора.
Основываясь на результатах собственных исследований и исследований Иванова В. И. [174], удельное время в диапазоне Т...ЗТ , при обработке импульсами до 0,39 Дж, на параметры шероховатости формируемых покрытий статистически значимо не влияет.
Для обеспечения несущей способности после электроискровой обработки покрытия подвергаются механической обработке. В результате текстура поверхности состоит из участков опорной поверхности и впадин (рис. 4.15).
Основываясь на том, что относительная опорная длина профиля изменяется от 0 до 1 и ведет себя как гладкая, монотонно возрастающая дифференцируемая функция распределения случайной величины, целесообразно для ее оценки воспользоваться вероятностно-статистическим методом.
Попытка согласовать функцию tp (Y) с законом нормального распределения приводит к усложнению алгоритма вычисления параметров Ь и v. К тому же, экспериментальные исследования, представленные в работе [254], показывают, что распределение «7» не согласуется с законом нормального распределения.
Решение возникшей задачи предлагается осуществить, построив опорную кривую профиля в координатах t p Y, и аппроксимировать ее законом распределения Вейбулла в 2-х параметрической форме
В таблицах 4.49-4.51 представлены характеристики статистической оценки параметров шероховатости Rmax, Ъ , v ЭИП, сформированных с использованием генератора «ELITRON-22B» при механизированной обработке на пятом энергетическом режиме электродами из конструкционных сталей с содержанием углерода от 0,1 до 1,1 %.
Из представленных таблиц видно, что для всех исследуемых групп измерений параметров шероховатости уровень значимости критерия рцг больше = 0,05, что подтверждает нулевую гипотезу о нормальном распределении значений измерений в группах.
Значения уровня значимости критерия Левина (pЛ) двух исследуемых групп измерений параметров шероховатости больше принятого значения уровня значимости р = 0,05, что подтверждает нулевую гипотезу о присутствии однородности дисперсий.
Таким образом, применение ґ-критерия Стьюдента для сравнения средних значений параметров шероховатости двух групп измерений правомерно.
В результате установлено, что для всех сравниваемых групп уровень значимости ґ-критерия Стьюдента больше принятого значения pt = 0,05, т. е. имеет место нулевая гипотеза о равенстве средних.
Основываясь на полученных результатах, можно сделать вывод, что параметры шероховатости покрытий, сформированных принятыми для исследований материалами электродов, статистически значимо не отличаются. Следовательно, выборки значений каждого параметра шероховатости покрытий, сформированных различными электродными материалами, можно объединить, определив их обобщенные статистические характеристики (табл. 4.52).
Устройства для электроискровой обработки
Устройство для механизированной электроискровой обработки вращающимся стержневым электродом для независимых генераторов импульсного тока.
Одной из важных задач при реализации операций технологического процесса является механизация электроискровой обработки. Для механизированного электроискрового легирования наружных, торцовых и неглубоких внутренних поверхностей деталей типа «вал» разработано приспособление КПМ-20, которое поставляется в комплекте с генератором «Элитрон-17».
Однако при отработке технологий на опытных участках ООО «Агросервис» было установлено, что оно имеет низкую надежность в условиях производства и требует доработки конструкции. Низкая надежность связана с частым обрывом соединительного гибкого провода, передающего ток от приводного вала к ведомому, вследствие большого хода (28-30 мм) ведомого вала относительно приводного. Кроме того, недостаточная мощность двигателя при работе с генераторами, обеспечивающими энергию импульса более 1,66 Дж, также сдерживает их применение для восстановления деталей.
Модернизированная обрабатывающая головка, представленная на схеме (рис. 5.17), лишена указанных недостатков.
Устройство включает разъемный корпус, содержащий приводной и поджимной механизмы. Приводной механизм содержит электродвигатель 1 переменного тока (мощностью 20-30 Вт с постоянной частотой вращения 3500 мин-1), расположенный неподвижно в корпусе 2 и соединенный через муфту 3 с одним из концов приводного вала 4, к которому подвижно крепятся щетки 5.
Поджимной механизм содержит стакан 6, подвижно закрепленный к корпусу 7 с помощью изолирующей втулки 8 из токонепроводящего материала. На стакане 6 неподвижно закреплено металлическое кольцо 9, в которое вставлена неподвижно вилка 10. Устройство поджатия электрода содержит противовес 11, дугу 12, ось 13, вал 14 и корпус противовеса 15. В вилку 10 подвижно вставлена радиусной частью дуга 12, неподвижно закрепленная с осью 13, которая подвижно соединена с корпусом противовеса 15, закрепленным на корпусе 7 поджимного механизма. Ось 13 неподвижно соединена с валом 14. В стакане 6 установлены подшипники 16 с расположенным в них ведомым валом 17, длина которого равна 130-132 мм. Приводной и поджимной механизмы закреплены между собой изолирующими кольцами 18 из токонепроводящего материала, насаженными на металлическую втулку 19, внутри которой находятся приводной вал 4 и подшипники 20. Приводной вал 4 выполнен в виде «вилки», имеет паз длиной 28-30 мм, в который входит подвижно ось 21, установленная в отверстии одного из концов ведомого вала 17. На другом конце вала 17 закреплен цанговый зажим 22. При этом валы 4 и 17 соединены между собой гибким проводом 23 и имеют ход (Н), равный 18-20 мм относительно друг друга.
Модернизация обрабатывающей головки, наряду с повышением ее надежности, позволила расширить технологические возможности электроискровой обработки в механизированном режиме и получить толщину покрытий на диаметр 500…550 мкм при контактной сплошности не менее 80 %.
На устройство для механизированной электроискровой обработки вращающимся стержневым электродом получен патент РФ на полезную модель № 137220 [270].
Устройство для ручной электроискровой обработки вибрационно-вращающимся стержневым электродом в ручном режиме.
Для повышения производительности процесса электроискровой обработки и улучшения качества покрытий разработано новое коммутирующее устройство, оснащенное приспособлением, обеспечивающим электроду дополнительное вращательное движение.
Существенным недостатком коммутирующего устройства, поставляемого в комплекте с установками серии БИГ, является его нестабильная работа из-за залипания вибрирующего электрода к обрабатываемой поверхности, и, как следствие, снижение производительности и качества покрытий для восстановления и упрочнения рабочих поверхностей деталей машин и механизмов.
Повышение производительности и улучшение качества покрытий достигается тем, что электроду одновременно вибрационное и вращательное.
На рисунке 5.18 изображено коммутирующее устройство для ручной электроискровой обработки, которое включает электромагнит 1, консольно закрепленный на якоре 2.
Электродвигатель 3 мощностью 100-150 Вт жестко соединен с одним концом гибкого вала 4, а другой конец его через втулку 5 из токонепроводящего материала соединен с одним из концов рабочего вала 6, установленного через подшипники 7 в корпусе 8 из токонепроводящего материала. В пазы корпуса 8 под углом 90 вставлены графитовые щетки 9, поджимаемые пружинным кольцом 10 к медной втулке 11, насаженной с натягом на рабочий вал 6. Корпус 8 жестко закреплен на пластине 12 через токонепроводящую прокладку 13. Пластина 12 в свою очередь закреплена на якоре 2. Сверху корпус 8 закрыт крышкой 14 с отверстием под рабочий вал 6. На выходном конце рабочего вала 6 закреплен цанговый зажим 15 с электродом 16.
Применение разработанной конструкции коммутирующего устройства с вибрационно-вращающимся электродом позволило повысить производительность обработки более, чем в 2,4 раза, при этом шероховатость поверхности снизилась в два раза – с 12 до 6 мкм.
На устройство для ручной электроискровой обработки вибрационно-вращающимся стержневым электродом в ручном режиме получен патент РФ на полезную модель № 144979 [271].
Модернизация токарно-винторезного станка для механизированной электроискровой обработки деталей типа «вал».
В настоящее время для реализации разработанных технологических процессов восстановления деталей типа «вал» электроискровой обработкой в механизированном режиме применяют универсальные токарно-винторезные станки, которые позволяют изменять частоту вращения шпинделя с заготовкой и обеспечивают продольное и поперечное перемещение суппорта с закрепленной в резцедержателе обрабатывающей головкой.
При этом существенными недостатками применения токарно-винторезного станка для электроискровой обработки являются ограниченные возможности его кинематической схемы, в частности, минимальное значение частоты вращения шпинделя, начинающееся с 9…12 мин-1, наличие кинематической связи и ступенчатое изменение значений вращения шпинделя и поступательного перемещения суппорта.
Экспериментальные исследования показали, что добиться увеличения толщины покрытий до 2,5 раз можно за счет использования устройства, позволяющего изменять частоты вращения шпинделя и входного вала коробки подач от 1 мин-1. Разработанный в ГОСНИТИ (филиал, г. Рязань) вращатель «ГОСНИТИ-1» (рис. 5.19), представленный на Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» в 2009-2011 гг., не нашел применения на ремонтных предприятиях, так как стоимость его изготовления в два и более раз превышает стоимость новых импортных токарных станков, которые можно использовать для этих целей, и почти в четыре раза выше стоимости модернизации бывших в эксплуатации отечественных.
В связи с этим при внедрении технологий наиболее целесообразно принимать во внимание модернизацию небольших токарно-винторезных станков, например, 1А616, имеющихся практически на всех ремонтных предприятиях и в мастерских хозяйств.
Конструкция модернизированного токарно-винторезного станка (рис. 5.20) включает частотный преобразователь 1, соединенный с электродвигателем 2, вал 3 которого связан клиноременной передачей с входным валом 4 коробки скоростей 5. Входной вал 4 коробки скоростей 5 связан кинематической связью со шпинделем 6, на одном конце которого между планшайбой 7 и токарным трехкулачковым патроном 8 закреплен токосъемник 9, соединенный через гибкий кабель к «минусу» генератора импульсного тока 10. На противоположном конце шпинделя 6 закреплен энкодер 11, соединенный с контроллером 12. Второй частотный преобразователь 13 соединен с электродвигателем 14, валом 15, соединенным с червячным редуктором 16, выходным валом 17, соединенным с входным валом 18 коробки подач 19, на котором установлен энкодер 20, соединенный с контроллером 21.