Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 9
ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И МЕТОДОЛОГИЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ 16
1.1. Условия работы деталей машин и оборудования АПК и предъявляемые
к ним требования 16
1.2 Анализ существующих методов восстановления деталей машин и
оборудования и их технико-экономическая эффективность 22
1.3 Рабочий план, программа и структура исследований 27
Классификация поверхностей, рекомендуемых к восстановлению и упрочнению электроконтактной приваркой присадочного материала 27
Обоснование и выбор деталей-представителей для разработки основ проектирования технологий восстановления электроконтактной приваркой
коррозионностойких и износостойких материалов 35
1.3.3. Обоснование объема научно-исследовательских работ и
последовательности их выполнения 39
Выводы. Цель и задачи исследования 40
ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ПРИВАРКОЙ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ И
ИЗНОССОТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ 45
2.1 Научная гипотеза и методические основы проектирования
технологических процессов восстановления деталей электроконтактной
приваркой материала с прогнозируемыми показателями их качества 45
2.2 Исследование характера работы сопряжений и деталей, анализ их
износного состояния 46
Детали автотракторных двигателей и сельскохозяйственных машин, работающих в сопряжениях «вал-подшипник скольжения» 46
Сопряжения, работающие в условиях граничного трения или без смазки 50
Детали типа «вал» машин и оборудования пищевой промышленности (на примере молочной промышленности) 51
Рабочие органы почвообрабатывающих машин 56
2.3 Пути повышение ресурса деталей-представителей при их
восстановлении и сущность некоторых известных способов 58
2.3.1. При восстановлении деталей, работающих в условиях трения
скольжения 58
2.3.2 При восстановлении деталей работающих в условиях трения
скольжения, в присутствии коррозионно-активных технологических сред
(на примере оборудования молочной промышленности) 67
2.3.3 При восстановлении рабочих органов почвообрабатывающих машин
(на примере лап культиваторов) 74
2.4. Разработка расчетной схемы распределения поля температур при ЭКП
ленты из коррозионностойких сталей (на примере стальной ленты 20X13 и
12Х18Н10Т) 75
2.4.1 Уравнение для расчета температур при наплавке поверхности
цилиндра по спирали малого шага 76
Методика выполнение расчета температур 78
Уравнения для расчета функции Ф(г,і) 78
2.4.4 Расчет температур с учетом распределения теплоты в металле в
результате теплового импульса источника 79
2.4.5 Расчет глубины зоны термического влияния 85
2.4.6 Выбор и расчет теплофизических констант для сталей 20X13 и
12Х18Н10Т 90
2.4.7 Последовательность выполнения расчетов 96
2.4.8 Результаты расчетных исследований влияния условий
электроконтактной приварки на глубину ЗТВ 97
2.5 Пути повышения прочности сцепления привариваемой ленты с
поверхностью восстанавливаемой детали 133
2.5.1 Повышение качества сцепления привариваемой ленты из коррозионностойких сталей путем оптимизации размеров ролика-
4
электрода 134
Создание рельефа на поверхности привариваемой ленты или детали 143
Предварительной термообработкой ленты 145
2.6 Возможные причины снижения коррозионной стойкости покрытий,
полученных ЭКП из коррозионностойких сталей 146
ГЛАВА 3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОРОШКОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЭКП ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
ДЕТАЛЕЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ИХ РАБОТЫ 151
3.1 Анализ способов подачи порошков при электроконтактной приварке на
изношенные поверхности деталей машин типа «вал» 151
3.2. Обоснование выбора порошковой композиции и схемы
технологического процесса ЭКП при восстановления деталей, работающих
в условиях трения-скольжения 159
3.3.1 Физическая сущность магнитных цепей электромагнитов 177
3.3.2 Обоснование и выбор оптимальной конструкции магнитопровода
электромагнита для ЭКП порошковых материалов 179
Расчет геометрических параметров электромагнита 182
Расчет толщины покрытия и массы порошка в зоне приварки 190
3.4 Обоснование выбора порошковой композиции и схемы
технологического процесса ЭКП для восстановления деталей, работающих
в условиях граничного трения или без смазки 199
3.5 Технология изготовления ППЛ 207
Расчет рациональных технологических режимов прокатки ППЛ 210
Гипотезы о возможных изменениях состояния полимерной частицы при ЭКП 214
3.6 Обоснование выбора порошковой композиции и схему
технологического процесса ЭКП для восстановления и упрочнения
рабочих органов почвообрабатывающих машин (на примере лап
культиваторов) 220
Выводы по теоретическим исследованиям 237
5 ГЛАВА 4 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ 240
Общая программа и методика экспериментальных исследований 240
Методика определения характера распределения поля температур при электроконтактной приварке 242
Частные методики определения технологических свойств порошковых материалов и их композиций 242
4.3.1 Методика определения основных технологических свойств
порошково-полимерной ленты 242
Разработка и описание устройства электромагнитной системы для создания магнитного поля 246
Методика определения массы удерживаемого порошка в зоне приварки при ЭКП в магнитном поле 251
Методика оценки потерь порошка от осыпания 252
Методика исследования усадки порошка и толщины формируемого слоя 253
4.4 Частные методики определения физико-механических и
эксплуатационных свойств покрытий 254
Методика экспериментального исследования процесса приварки (на примере стальной ленты) 254
Методика определения прочности сцепления приваренного слоя с основным металлом 259
4.4.3 Методика определения стойкости покрытий против
межкристаллической коррозии 262
Методика оценки покрытий на общую равномерную коррозию 266
Методика измерения пористости покрытий 268
Методика измерения твердости и микротвердости 269
4.4.8 Методика оценки выгорания легирующих элементов при
ЭКП ленты 272
4.4.7 Методика определения остаточных напряжений в поверхностном
слое восстановленных деталей 273
4.4.8 Методика определения остаточных напряжений в нанесенных
покрытиях 286
4.4.9 Методика исследования макро- и микроструктуры 292
4.4.10 Методика испытаний на износостойкость 293
3.4.11 Методика оценки характера изнашивания композиционного
покрытия из металлического порошка и сетки 305
4.4.12 Методика проведения усталостных испытаний 307
4.4.13 Методика проведения эксплуатационных испытаний деталей,
восстановленных ЭКП материалов 309
4.4.14 Статистическая обработка результатов исследований 314
ГЛАВА 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И
ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 316
Влияние распределения температур на показатели качества покрытий, полученных ЭКП ленты из коррозионностойких сталей 316
Результаты определения технологических свойств ППЛ 319
Масса удерживаемого порошка в зоне приварки и толщине покрытий при ЭКП в магнитном поле 328
Результаты исследования технологических свойств металлических порошков и размеров сетки на формирование КП 332
Потери порошка от осыпания и толщина покрытий при ЭКП порошковой композиции (металлический порошок и сетка) 335
Результаты исследования физико-механических и эксплуатационных свойств покрытий, полученных ЭКП коррозионностойких и износостойких материалов 337
Прочность сцепления ленты с основным металлом 337
Прочность сцепления покрытий полученных ЭКП ППЛ 340
5.6.3 Прочность сцепления порошковых материалов с основой при
ЭКП в МП 343
5.6.4 Прочность сцепления КП из порошковых материалов и сетки 345
5.8 Стойкость покрытий на общую равномерную коррозию 353
5.8 Твердость и микротвердость покрытий, полученных
7
ЭКП материалов 356
Покрытия из коррозионно-стойких сталей 356
Покрытия из порошковых композиций с АФП 360
Покрытия из металлического порошка и сетки 362
5.8.5 Покрытие из порошковой компазиции на основе карбидов
металла 365
5.9 Оценка пористости и металлографический анализ покрытий 365
Покрытия из композиционного материала с АФП 365
Покрытия из металлического порошка и сетки 369
Покрытия из металлического порошка в магнитном поле 376
5.9.4 Покрытия из металлического порошка на основе карбида
металлов 379
5.9.5 Покрытия из коррозионностойких сталей 380
Результаты исследований химического состава покрытий 383
Результаты определения остаточных напряжений в покрытиях 388
Результаты усталостных испытаний 401
Износостойкость покрытий 402
5.13.1 Покрытия из коррозионностойких сталей 402
5.13.2 Покрытия из порошкового материала с антифрикционными
присадками 404
5.14 Результаты агротехнической оценки обработанного поля
культиваторами с восстановленными лапами 411
5.15 Анализ результатов эксплуатационных испытаний 412
5.15.1 Детали, восстановленные ЭКП ленты из 412
коррозионностойких сталей 412
Детали, восстановленные ЭКП металлического порошка и сетки 413
Детали, восстановленные ЭКП порошков в МП 414
Детали, восстановленные ЭКП порошково-полимерных лент 415
Выводы по результатам экспериментальных исследований 418
ГЛАВА 6 ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В
ПРОИЗВОДСТВО И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА 421
6.1 Внедрение результатов исследований в производство 421
6.2 Технико-экономическая эффективность разработанных
технологических процессов восстановления деталей ЭКП
коррозионностоиких и износостойких материалов 421
6.2.1 Общая методика расчета экономической эффективности 421
Выводы 431
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 432
ЛИТЕРАТУРА 435
ПРИЛОЖЕНИЯ
Введение к работе
Важным резервом повышения эффективности использования техники, экономии материальных, топливно-энергетических и трудовых ресурсов в различных сферах народного хозяйства является восстановление изношенных деталей.
Экономическая целесообразность восстановления деталей обусловлена прежде всего возможностью повторного и неоднократного использования 65...75 % изношенных деталей. Себестоимость восстановления деталей, как правило, не превышает 15...30 % стоимости новых, а расход материалов в 15...20 раз ниже, чем на их изготовление.
Вместе с тем, эксплуатационная надежность деталей остается низкой. Ресурс деталей после восстановления составляет в среднем не более 60...80% ресурса новых деталей. Одним из основных направлений повышения качества восстановления деталей сельскохозяйственной техники является совершенствование существующих технологических процессов восстановления и применение новых присадочных материалов.
Предполагалось, что уже в 2005 году стоимость восстановленных деталей можно сохранить на уровне 25...45 % стоимости новых деталей; ресурс восстановленных деталей довести до 85...95 %, а ресурс деталей восстановленных с использованием упрочняющих технологий - до 120... 150 % 1X1.
По прежнему одной их лучших технологий восстановления деталей остается электроконтактная приварка (ЭКП) металлического слоя (ленты, проволоки, порошковых материалов). Хотя эта технология успешно применяется, но далеко не все ее возможности используются сегодня на практике для повышения качества восстановленных деталей.
Каждая новая ступень в развитии техники обусловливает появление новых материалов. Повышение надежности работы различных машин и оборудования долгое время достигалось путем изготовления деталей из особо прочных металлов и сплавов. При этом, зачастую, пассивным элементам придавался излишний запас прочности, а активные элементы работали на край-
10 нем пределе прочностных характеристик.
В настоящее время требования, предъявляемые к свойствам материалов, стали крайне разнообразными ввиду того, что условия эксплуатации деталей из этих материалов стали более жесткими и сложными. В качестве примера можно указать следующие свойства, которые могут потребоваться от материала: прочность, жесткость, пластичность, коррозионная стойкость, износостойкость, жаростойкость и т.д. Вполне естественно, что используя простые материалы, очень трудно удовлетворить в достаточной степени указанные требования.
Одним из путей решения этой сложной задачи является нанесение на рабочие поверхности деталей покрытий с высокими эксплуатационными свойствами. Например, при восстановлении деталей электроконтактной приваркой можно использовать ленту, позволяющую получить поверхностный слой превосходящий, соответствующие свойства новой детали (прочность, износостойкость, коррозийная стойкость и т.д.). Второе направление при ЭКП - применение в качестве присадочного порошковые материалы, в том числе и композиционные. Интерес к композиционным материалам (КМ) связан, с одной стороны, с ограниченностью сырьевых ресурсов для получения высококачественных сплавов, с другой - с набором уникальных свойств КМ, позволяющих решить ряд технических задач, недостижимых в металлическом исполнении, а также - с возможностью управлять свойствами материалов.
В последнее время КМ стали использовать в виде покрытий, что очень важно для восстановления и упрочнения деталей машин. Имеющийся опыт применения композиционных покрытий (КП) показал перспективность этого направления для повышения срока службы деталей машин и оборудования АПК.
Однако широкое внедрение технологических процессов восстановления деталей ЭКП материалов нового поколения сдерживается отсутствием комплексных исследований по обоснованию их применения, по проектированию гетерогенных покрытий, по разработке прогрессивных технологий их нанесения на поверхность деталей. Не решена проблема регулирования совместимо-
сти разнородных компонентов в одном покрытии, что не дает в полной мере использовать уникальные триботехнические свойства КП.
Цель работы. Научное обоснование и разработка ресурсосберегающих технологий и материалов для восстановления изношенных деталей сельскохозяйственной техники и перерабатывающих отраслей АПК электроконтактной приваркой коррозионностоиких и износостойких материалов, позволяющих формировать поверхности с заданными эксплуатационными свойствами.
Научная новизна. Выполненные в работе исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов:
разработана математическая модель для расчета и прогнозирования поля распределения температур при нанесении покрытий ЭКП ленты из коррозионностоиких сталей;
выявлены закономерности структурных превращений в ленте в процессе электроконтактной приварки. Определены размеры и конфигурация зоны термического влияния в зависимости от технологических режимов ЭКП ленты из коррозионностоиких сталей;
разработаны способы и средства для повышения прочности сцепления приваренной ленты с основным металлом при ЭКП;
разработаны новые порошковые композиционные материалы с заданными свойствами для восстановления изношенных деталей ЭКП в зависимости от условий их работы;
разработана математическая модель уплотнения порошкового материала при ЭКП, устанавливающая связь плотности покрытия с отдельными составляющими композиционного материала;
разработаны новые ресурсосберегающие технологии восстановления деталей сельскохозяйственных машин и оборудования пищевых отраслей АПК ЭКП порошковых материалов и оборудование для их осуществления, позволяющие формировать покрытия с заданными свойствами.
12 Практическая значимость и реализация результатов исследования.
Практическую ценность представляют:
-разработанные комплекты технологической документации для восстановления изношенных деталей в условиях ремонтного производства;
-рекомендации по созданию новых износостойких композиционных материалов на основе металлических порошков и технические решения для их подачи в зону приварки при восстановлении деталей ЭКП;
-разработанный комплект конструкторской документации для изготовления технологической оснастки, используемой при ЭКП;
-сведения о качественных показателях покрытий, полученных ЭКП из коррозионностойких и износостойких материалов;
-оптимальные составы материалов и технологические режимы получения порошково-полимерной ленты;
-оптимальные технологические режимы ЭКП различных материалов, гарантирующие заданные качественные показатели покрытий;
-новая методика определения остаточных напряжений в покрытии без его разрушения.
Оборудование и разработанные технологии внедрены в техническом центре «Куйбышевский» Самарской области, ГУСП МТС «Башкирская», Или-шевском, Чишминском, Абзелиловском ремонтно-технических предприятиях, ООО «РемАгро» Туймазинского района Республики Башкортостан, на научно-производственном участке кафедры «Технология металлов и ремонт машин» Башкирского ГАУ. Результаты исследований используются в учебном процессе в Башкирском, Оренбургском ГАУ, Самарском ГСХА по курсу «Надежность и ремонт машин» и Уфимском Государственном авиационном техническом университете при изучении курса «Реновация машин и оборудования».
13 Апробация. Основные результаты исследований доложены:
- на международных конференциях: «Новые методы ремонта и восстановления деталей сельскохозяйственных машин» (г.Саранск, 2001г.); «Проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса России» (г.Уфа, 2002г.); «Современные материалы и технологии» (г.Пенза, 2002г.); «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО» (г.Уфа, 2003 г.); «Сварка, Контроль, Реновация - 2004» (г.Уфа, 2004 г.); «Научные проблемы и перспективы развития ремонта, обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (г.Москва, 2004 г.); «Надежность и ремонт машин» (г.Гагра, 2005г.); «Достижения науки - агропромышленному производству» (г.Челябинск, 2006г.).
- на Всесоюзных и Всероссийских конференциях и семинарах: «Меха
низация и автоматизация технологических процессов в агропромышленном
комплексе» (г.Новосибирск, 1989 г.); «Вклад молодых ученых и специалистов
в сельскохозяйственное производство» (г.Фрунзе, 1990 г.); «Современные ме
тоды наплавки, упрочняющие защитные покрытия и используемые материа
лы» (г.Харьков, 1990 г.); «Работы в области восстановления и упрочнения де
талей» (г.Москва, 1991 г.); «Повышение эффективности и устойчивости раз
вития агропромышленного комплекса» (г.Уфа, 2005 г.); «Научные проблемы
развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и уп
рочнения деталей» (г. Москва, 2006 г.); «Перспективы агропромышленного
производства регионов России в условиях реализации приоритетного нацио
нального проекта «Развитие АПК» (г.Уфа, 2006 г.); «Коррозия металлов, пре
дупреждение и защита» (г.Уфа, 2006 г.).
на республиканских конференциях: «Восстановление деталей - важный экономический резерв ремонтного производства» (г.Уфа, 1989 г.); «Интенсификация сельскохозяйственного производства» (г.Уфа, 1992 г.).
на межвузовских конференциях: Азово-Черноморского института механизации и электрификации сельского хозяйства (г.Зерноград, 1990 г); Ижевского сельскохозяйственного института (г.Ижевск, 1991 г.); Белорусского института механизации сельского хозяйства (г.Минск, 1991 г.); Башкир-
14 ского государственного аграрного университета (1987, 1991 - 2006 гг).
Технологии и установки экспонировались на Всесоюзном семинаре (г.Тернополь, 1988 г.); на международной выставке «Ремдеталь - 88» (г.Пятигорск, 1988 г.); в павильоне «Эксплуатация и ремонт сельскохозяйственной техники» ВДНХ СССР, где отмечены серебряной медалью выставки; на международных специализированных выставках Агрокомплекс - 2003, Агрокомплекс - 2004, АгроКомплекс-2005 (г.Уфа), где были удостоены дипломов III, II и I степеней соответственно (Приложение П.І).
Разработанная технология (Восстановление деталей машин и оборудования агропромышленного комплекса из коррозионно-стойких сталей) удостоена третьей премии (первая и вторая не присуждались) во Всесоюзном конкурсе на лучшее предложение по восстановлению и упрочнению деталей оборудования перерабатывающих отраслей АПК в 1989 г. (Приложение П.П).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 58 печатных работах, в том числе в монографии, двух научных изданиях и 14 статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК; получено четыре положительных решения на выдачу патента по заявкам № 2005103082120(004098), №2006105312/02(005740), №2006105314/02(005742), №2006107359/02(007981) и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006614111.
Работа выполнена в Башкирском государственном агарном университете на кафедре «Технология металлов и ремонта машин» в соответствии с планом НРІР, ВНПО «Ремдеталь» на 1985...90 гг. (№ гос. per. 0346010301) Госзаказом 2.42/1 «Разработка новых присадочных материалов для восстановления и упрочнения валов и отверстий контактной приваркой» до договору между Гос-агропром Б АССР и Башсельхозинститутом от 17.03.1990 г. «Исследование, разработка и внедрение технологии восстановления деталей сельскохозяйственной техники и оборудования энерго- и ресурсосберегающими способами». Отдельные этапы теоретических и экспериментальных исследований выполнялись в лаборатории № 1 ВНПО «Ремдеталь», в лаборатории физико-техничесокго института АН Беларусии, на кафедре «Сопротивление материа-
15 лов и детали машин» Кишиневского сельскохозяйственного института им.
М.В. Фрунзе, на кафедре «Материаловедение и коррозия металлов» Уфимского нефтяного института, на кафедре «Сопротивления материалов» Челябинского государственного агроинженерного университета, на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства» Уфимского государственного авиационного технического университета, на кафедре сварки Московского вечернего металлургического института. Автор выражает искреннюю признательность коллективам указанных организаций за оказанную помощь в выполнении исследований.
