Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 13
1.1 Коррозия и сохраняемость сельскохозяйственной техники 13
1.2 Консервационные составы для сельскохозяйственной техники 15
1.3 Характеристика оборудования для резки твердых компонентов и приготовления консервационных составов
1.4 Обзор оборудования для нанесения консервационных составов 28
1.5 Выводы и задачи исследования 33
2 Теоретические предпосылки свершенствования технологии консервации техники ингибированными битумными составами 36
2.1 Обоснование метода оценки эффективности технологических процессов консервации машин 36
2.2 Обоснование схемы и кинематических параметров консольно-рычажного гидравлического ножа для резки твердых компонентов 41
2.3 Устойчивость брикета при разрезании консольно-рычажным гидравлическим ножом 45
2.4 Оценка силовых и технологических параметров консольно-рычажного гидравлического ножа 50
2.5 Определение затрат мощности на перемешивание компонентов рамной мешалкой 55
2.6 Обоснование энергоэкономного режима работы реактора-смесителя 60
2.7 Анализ аэрозольной технологии нанесения консервационных составов 66
2.8 Выводы по 2 главе 68
3 Методики экспериментально-производственных исследований 70
3.1 Методика ускоренного исследования ингибированных битумных составов в коррозионно-активной среде
3.2 Методика атмосферных испытаний ингибированных битумных покрытий 73
3.3 Методика оценки адгезии ингибированного битумного покрытия 77
3.4 Методики определения условной вязкости и плотности ингибированных битумных составов 78
3.5 Методика определения коэффициентов сцепления твердых компонентов под нагрузкой 80
3.6 Методика определения длительности растворения кусков битума в уайт-спирите 82
3.7 Методика исследования изменения плотности и вязкости ингибированного битумного состава при пневматическом распылении 83
3.8 Методика исследования рычажно-консольного гидравлического ножа при резке твердых компонентов 84
3.9 Методика исследования реактора-смесителя при приготовлении ингибированного битумного состава 86
3.10 Методика исследования переносного распылителя
для нанесения ингибированного битумного состава 88
4 Результаты экспериментальных исследований 90
4.1 Анализ содержания сельскохозяйственной техники в период неиспользования 90
4.2 Оценка климатических условий проведения коррозионных исследований 93
4.3 Ускоренные испытания ингибированных битумных составов в коррозионно-активной среде 96
4.4 Результаты исследования технологических параметров ингибированных битумных составов 99
4.5 Атмосферостойкость ингибированных битумных покрытий 104
4.6 Результаты исследования коэффициентов сцепления твердых компонентов под нагрузкой 109
4.7 Результаты исследования растворимости битума при получении битумных составов 111 4.8 Изменение плотности и вязкости при пневмораспылении ингибированного битумного состава 114
4.6 Предложения по консервации сельскохозяйственных машин 115
ингибированными битумными покрытиями в условиях Ирака 4.10 Выводы по 4 главе 116
5 Результаты совершенствования технологии консервации сельскохозяйственной техники ингибированными битумными составами 119
5.1 Производственно-технологические исследования оборудования для консервации техники ингибированными битумными составами 119
5.1.1 Результаты разработки и исследования гидравлического ножа для резки твердых компонентов 119
5.1.2 Результаты разработки и исследования реактора-смесителя для производства ингибированных битумных составов 126
5.1.3 Результаты разработки и исследования переносного распылителя ингибированных битумных составов 131
5.2 Расчет экономической эффективности от внедрения ингибированных битумных составов 136
5.3 Выводы по 5 главе 145
Заключение 148
Список литературы 151
- Характеристика оборудования для резки твердых компонентов и приготовления консервационных составов
- Оценка силовых и технологических параметров консольно-рычажного гидравлического ножа
- Методики определения условной вязкости и плотности ингибированных битумных составов
- Ускоренные испытания ингибированных битумных составов в коррозионно-активной среде
Введение к работе
Актуальность темы исследований. При эксплуатации зерноуборочных комбайнов, посевной и почвообрабатывающей техники защитные покрытия деталей истираются при контакте с почвой и растительной массой. Большая часть машинно-тракторного парка занята на полевых работах 10-15 % календарного времени года и вынуждена длительное время храниться под воздействием атмосферных осадков, повышенной влажности воздуха, перепадов температур, солнечной радиации, растительно-почвенных загрязнений. При этом открытые металлические поверхности деталей интенсивно корродируют, а лакокрасочные покрытия разрушаются и теряют защитные свойства. Процесс коррозии в равной степени касается как отечественных, так и импортных машин, так как их рабочие органы изготовлены из низколегированных и углеродистых сталей. До 30 % отказов многих видов техники вызвано коррозией и снижением усталостной прочности прокорродированных деталей.
В связи с медленным обновлением состава машинно-тракторного парка значительная доля машин продолжает использоваться сверх амортизационного срока службы, имея низкий уровень остаточного ресурса и ремонтопригодности. Поэтому среднероссийские затраты на поддержание техники в работоспособном состоянии достаточно высоки и составляют 12-15 % в себестоимости продукции, тогда как в зарубежной практике они не превышают 4-6 %.
Снижению указанных затрат способствует защита рабочих органов машин от коррозионных поражений путем нанесения консервационных покрытий при подготовке к хранению. Стоимость защитных материалов и оборудования является одной из основных статей затрат на консервацию техники. Опыт показывает, что экономия средств на противокоррозионной защите техники приводит к многократно большему ущербу от снижения надежности агрегатов, их преждевременного ремонта и замены деталей, пораженных коррозией.
Основной причиной некачественной защиты техники является отсутствие эффективных и недорогих консервационных материалов. Применяемые для консервации машин отработанные масла и бензино-битумные составы имеют низкий срок защитного действия.
В них нет ингибиторов, подавляющих электрохимическую коррозию ме-
талла, и компонентов, повышающих атмосферостойкость консервационных покрытий. Известные технические средства для приготовления консервационных составов и для их нанесения, не соответствуют технологи подготовки сельскохозяйственной техники к хранению и не востребованы. Поэтому диссертационное исследование технологических процессов приготовления ингибированных битумных составов и получения покрытий с лучшими защитными свойствами в условиях хранения машин на открытых площадках, является актуальным.
В этой связи задачей диссертационной работы является улучшение рецептуры битумных составов и совершенствование конструктивно-технологических параметров оборудования, используемого при их производстве и нанесении. Выполнение поставленной задачи имеет существенное значение для повышения эффективности противокоррозионной защиты техники и снижения затрат на ее поддержание в работоспособном состоянии.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Программой фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы в рамках темы 0648-2014-003 «Новые методы хранения и противокоррозионной защиты аграрной техники на основе ресурсосберегающих технологий, энергоэкономных технических средств и консервационных материалов из возобновляемого сырья» по заданию «Разработать усовершенствованную технологию противокоррозионной защиты сельскохозяйственной техники и оборудования с использованием новых консервационных материалов и технических средств».
Степень разработанности темы. Система противокоррозионной защиты техники, используемой в сельском хозяйстве, сформировалась благодаря основополагающим трудам В.А. Виноградова, В.И. Добрина, В.Д. Прохоренкова, Е.А. Пучина, М.М. Севернёва, А.Э. Северного. Большую известность по исследованию коррозионно-механического изнашивания работающих узлов машин и прогнозированию их стойкости имеют работы Г.И. Бондаревой, В.Н. Дашкова, А.Л. Новикова, В.Е. Рязанова, В.И. Фадеева, Б.П. Яковлева и других авторов. Проблеме разработки эффективных противокоррозионных материалов и технологического оборудования для консервации сельскохозяйственной техники по-
священы труды В.В. Быкова, В.И. Вигдоровича, С.М. Гайдара, О.И. Голяниц-кого, Л.Г. Князевой, М.Б. Латышенка, Е.Б. Миронова, А.И. Петрашева, Л.Е. Цыганковой.
Полученные этими авторами результаты внесли большой вклад в теорию и практику создания смазочных консервационных материалов на основе растительных и отработанных моторных масел с привлечением отходов нефтехимии, содержащих ингибирующие коррозию ингредиенты. Обоснованы рациональные параметры технологических средств для приготовления смазочных консерваци-онных материалов и для их нанесения на почвообрабатывающую технику в условиях пониженных температур.
Вместе с тем, требует решения научно-техническая проблема повышения атмосферостойкости твердо пленочных консервационных материалов, необходимых для защиты металлических поверхностей как почвообрабатывающих, так и уборочных машин. Поэтому научный поиск по улучшению рецептуры твердо пленочных битумных составов и совершенствованию технологического оборудования, обеспечивающего снижение производственных затрат при их получении и нанесении, представляет перспективное направление повышения эффективности технологии консервации сельскохозяйственных машин.
Цель исследования: Повышение эффективности технологии консервации сельскохозяйственной техники на основе улучшения рецептуры ингибирован-ных битумных составов и обоснования рациональных конструкционно-режимных показателей оборудования для их энергоэкономного получения и нанесения.
В соответствии с целью сформулированы задачи исследования:
-
Обосновать улучшенную рецептуру ингибированных битумных составов на основе ресурсодоступных компонентов, оценить их технологические и противокоррозионные свойства в условиях хранения сельскохозяйственной техники.
-
Установить аналитические зависимости для определения рациональных параметров компактного гидравлического ножа, обеспечивающих эффективную резку твердых компонентов при производстве ингибированных битумных составов.
-
Определить влияние технологических факторов на смешивание жидких и твердых компонентов при получении ингибированных битумных составов, усовершенствовать технологию приготовления составов в реакторе-смесителе.
4. Усовершенствовать технологию консервации сельскохозяйственной техники с использованием ингибированного битумного состава и оборудование для его нанесения, определить технико-экономические показатели ее реализации в производственных условиях.
Объект исследования – технологические процессы производства и применения ингибированного битумного состава при консервации сельскохозяйственной техники.
Предмет исследования – влияние содержания компонентов на противокоррозионные и технологические свойства ингибированных битумных составов; взаимосвязь кинематических и технологических параметров консольно-рычажного гидравлического ножа, режимы нагрева и смешивания компонентов при приготовлении битумного состава, технологические показатели нанесения инги-бированного битумного покрытия.
Рабочая гипотеза – повысить эффективность консервации сельскохозяйственной техники возможно путем улучшения защитных свойств битумного состава, используя доступные противокоррозионные компоненты и совершенствуя технологию его производства и нанесения.
Научная новизна работы:
- закономерности повышения эффективности противокоррозионной защиты
стальных деталей сельскохозяйственных машин покрытиями из битумных соста
вов за счет введения присадки Эмульгин, как ингибитора коррозии, и мазута
М100 в качестве атмосферостойкой добавки;
- аналитические зависимости, устанавливающие взаимосвязь высоты бри
кета твердого компонента (битума и Эмульгина) с рациональными кинематиче
скими параметрами консольно-рычажного гидравлического ножа и коэффици
ентом сцепления компонента со сталью.
Теоретическая и практическая значимость.
Теоретические исследования позволили установить взаимосвязь технологических показателей процессов резки, нагрева и смешивания компонентов с конструктивными параметрами создаваемых технических средств. Они являются основой для совершенствования технологий консервации сельскохозяйственной техники, расчетов параметров консольно-рычажных гидравлических ножей,
определения энергоэкономных режимов приготовления ингибированных битумных составов в реакторе-смесителе с рамной мешалкой.
Оптимизирована рецептура ингибированного битумного состава МЭБ-4, содержащего битум - 25 %, Эмульгин – 5 %, мазут М100 – 40 %, дизельное топливо – 30 %. По стоимости состав МЭБ-4 дешевле бензино-битумного состава, при этом он защищает от атмосферной коррозии поверхности стальных деталей сельскохозяйственной техники в течение 12 мес.
Разработаны и усовершенствованы образцы технологического оборудования для получения и применения ингибированных битумных составов: – консольно-рычажный гидравлический нож для резки твердых компонентов; – реактор-смеситель для нагрева и смешивания компонентов при производстве ингибированных битумных составов;
– переносной распылитель ПРК-1-2 для пневматического нанесения ингибиро-ванных битумных составов при консервации сельхозмашин.
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2601001 на «Смеситель для консервационной смазки».
Методология и методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием математического моделирования процесса резки твердых компонентов консольно-рычажным гидравлическим ножом, процесса приготовления битумного состава в реакторе-смесителе, процесса пневматического распыления битумного состава, методов кинематики при обосновании компоновки консольно-рычажного гидравлического ножа. Экспериментальные исследования выполнялись на основе теории планирования эксперимента, стандартных и общепринятых методов, а также разработанных частных методик, учитывающих специфику данной работы. При этом использовались поверенные и калиброванные приборы, инструменты для проведения линейных, весовых, электротехнических, температурных измерений; и специально изготовленный лабораторный стенд для измерения коэффициентов сцепления. Обработка экспериментальных результатов осуществлялся с привлечением статистических методов обработки опытных данных.
Положения, выносимые на защиту:
- результаты экспериментальной оценки технологических и противокорро
зионных свойств разработанных битумных составов, содержащих атмосферо-
стойкую добавку и ингибирующую присадку;
аналитические зависимости и экспериментально установленные рациональные параметры консольно-рычажного гидравлического ножа, обеспечивающие устойчивую резку твердых компонентов при производстве ингибированных битумных составов;
результаты исследования технологического процесса приготовления ин-гибированного битумного состава в реакторе-смесителе с рамной мешалкой, позволяющие выбрать энергоэкономный режим загрузки, нагрева и смешивания компонентов;
результаты опытно-производственной проверки и оценки эффективности усовершенствованной технологии консервации сельскохозяйственной техники ингибированными битумными составами.
Реализация результатов исследований осуществлена совместно:
с экспериментальным производством ФГБНУ ВНИИТиН при изготовлении гидравлического ножа, модернизации реактора-смесителя и переносного распылителя ПРК-1-2, при внедрении технологического процесса малотоннажного производства ингибированного битумного состава МЭБ-4;
с колхозом-племенным заводом им. Ленина (Тамбовский р-н) при внедрении усовершенствованной технологии консервации сельскохозяйственной техники посредством ингибированного битумного состава МЭБ-4 и переносного распылителя ПРК-1-2.
Степень достоверности результатов подтверждена достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, выполненных с использованием стандартных методов и частных методик планирования экспериментов, разработанных на их основе. Опытные данные получены на современных поверенных приборах и аппаратах, при их обработке использованы методы математической статистики и регрессионного анализа. Результаты экспериментальных исследований хорошо согласуются с теоретическими, с данными других авторов по этой тематике и подтверждаются внедрением технологии консервации сель-
скохозяйственных машин с использованием ингибированных битумных составов и созданных технических средств.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены: на Международных научно-практических конференциях ВНИИТиН (Тамбов, 2015 и 2016 г); на Международных конференциях в НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства (Минск, 2015 и 2016 г), в Белорусском ГАТУ (Минск, 2015 и 2016 г), в Мичуринском ГАУ (Мичуринск, 2015 г) и Великолукской ГСХА (Великие Луки, 2015 г); на XI Международной конференции в Ставропольском ГАУ (Ставрополь, 2015 г.).
Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.20.03 – Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве, п. 8 «Разработка технологии и средств для хранения машин».
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 20 печатных работ, в том числе 3 статьи в научно-технических изданиях из перечня ВАК РФ, получен 1 патент на изобретение. Общий объем публикаций составил 8,76 печ. л., в том числе 3,31 печ. л. принадлежит лично соискателю.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 122 наименований и 6 приложений. Работа изложена на 183 страницах, включает 150 страниц основного текста, 68 рисунков и 12 таблиц.
Характеристика оборудования для резки твердых компонентов и приготовления консервационных составов
Номенклатура средств для временной защиты сельскохозяйственных машин от коррозии подразделяется на 2 группы [4, 7, 17, 18].
В первую группу включены консервационные материалы промышленного производства, пригодные для защиты сельскохозяйственной техники: кон-сервационные (защитные) смазки, консервационные масла, пленкообразующие нефтяные составы, защитные водно-восковые дисперсии, маслорастворимые ингибиторы коррозии и присадки.
Во вторую группу входят побочные продукты промышленности и сельского хозяйства, обладающие противокоррозионными свойствами: кубовые остатки и отходы нефтехимии, отработанные минеральные и синтетические масла, отходы и отстои растительных масел, консервационные составы собственного приготовления.
Средства временной противокоррозионной защиты машин подразделяются по своему назначению на 3 уровня: для защиты наружных поверхностей машин; для защиты внутренних поверхностей двигателей, трансмиссий, коробок передач; для защиты открытых передач и механизмов. На рисунке 1.1 показаны основные представители консервационных материалов по каждому уровню для двух поколений [17].
Рисунок 1.1 - Средства временной противокоррозионной защиты сельскохозяйственной техники
В качестве материалов первого поколения для защиты наружных поверхностей машин, в основном, использовали консерванты собственного приготовления. Это бензино-битумные составы и отработанные масла, загущенные пушечной смазкой ПВК. Во втором поколении появились и поставлялись сельхозпредприятиям промышленно-выпускаемые материалы: защитные воски ЗВВД-13 (не ингибированный), ИВВС (ингибированный), битумный состав Ин-гибит-С. Некоторые материалы остаются актуальными и выпускаются до сих пор (ПВК, Кормин и др), часть снята с производства (НГ-204У, ЗВВД-13 и пр.) по причине их низкой прибыльности для нефтеперерабатывающих заводов в сравнении производством топлива и рабочих масел.
Потребности промышленных предприятий в мелкооптовых поставках смазочных материалов, ингибиторов коррозии, компонентов для лакокрасочного производства, противоизносных добавок к смазочным маслам удовлетворя 17 ются ЗАО «Автоконинвест». Выпускаемые предприятием водорастворимые ингибиторы коррозии Борат и Телаз-А могут быть использованы на стадии мойки сельскохозяйственных машин и при хранении в ангарах, под навесом [19, 20]. Сведения о свойствах известных консервационных материалах, пригодных для защиты сельхозмашин, приведены в приложении А.
С целью расширения сырьевой базы получения консервационных материалов и снижения их стоимости, в университете МГУ Леса проведены исследования по использованию отходов производства растительных масел для защиты машин лесного хозяйства от коррозии [21, 22, 23, 24]. Исследованиям защитных свойств рапсового, кукурузного, горчичного и подсолнечного масел посвящено много работ [25, 26, 27, 28, 29, 30]. Согласно полученным результатам не рекомендуется использовать растительные масла в не модифицированном виде. Модификация масел возможна их оксидированием, полимеризацией, введением присадок Эмульгин (15 %), КО-СЖК (20 %) и др. Выявлены высокие защитные свойства отстоев подсолнечного и рапсового масел. Срок защиты техники отстоями растительных масел достигает 12 мес. в условиях открытых площадок.
Однако, объемы использования для консервации сельскохозяйственной техники растительных масел и их отстоев существенно ограничены, их применение может носить локальный характер. В хозяйствах много больше имеется отработанных автотракторных масел, на основе которых можно получать малокомпонентные консервационные смазки и композиции с варьируемым сроком защитного действия [31, 32, 33, 34, 35, 36]. Маслорастворимые присадки, кубовые остатки и отходы нефтехимии (Эмульгин, КО-СЖК) используют в сочетании с отработанными маслами ММО (минеральными и синтетическими) при получении загущенных смазок для консервации на открытых площадках рабочих органов почвообрабатывающей техники, открытых сопрягаемых деталей, регулировочных винтов. Таким путем отчасти решается проблема обеспеченности сельхозпредприятий недостающими консервационными материалами. Однако, из-за того, что загущенные смазки не высыхают, загрязняют урожай и одежду механизаторов, они имеют ограниченное применение в сельском хозяйстве. Специалисты хозяйств по-прежнему консервируют технику традиционными бензино-битумными составами, которые по защитным свойствам хуже промышленных автомастик, но зато в разы дешевле. Для получения бензино-битумных составов применяют нефтяной строительный битум марки БН-IV и БН-V, а в качестве растворителя - неэтилированный бензин при соотношении битума и бензина от 1:1 до 1:3 [1, 2, 17]. С целью улучшения физико-механических и защитных свойств нанесенных битумных покрытий в состав добавляют отработанное масло.
Для приготовления бензино-битумного состава мелкораздробленный битум растворяют в бензине до образования однородной жидкости темного цвета. Практически состав становится готовым через 7 суток при двукратном ежедневном перемешивании [15]. Перед употреблением состав процеживают через металлическую сетку № 15. Битумными составами защищают от коррозии наружные поверхности рабочих органов почвообрабатывающих и уборочных машин (отвалы, диски, жатки и т.п.).
Продолжительность защитного действия бензино-битумных покрытий на открытых площадках - не более 6 мес. Защитная эффективность в большей степени зависит от состояния поверхности. Если исходная поверхность стали прокорродирована, то скорость коррозии возрастает в 8-10 раз. Снижение защитной эффективности бензино-битумных составов при нанесении на ржавую поверхность объясняется их слабой пропитывающей способностью. Оставшаяся ржавчина, а также проникающая через битумное покрытие влага и атмосферный кислород вызывает рост коррозионного поражения стали, причем наибольший - в первые 2 месяца [1].
Учитывая, что в обозримом будущем не предвидится улучшения в обеспечении сельхозпредприятий качественными защитными материалами, поиски возможных модификаций битумных составов являются перспективными с научной и технической точек зрения [37].
Оценка силовых и технологических параметров консольно-рычажного гидравлического ножа
Качество и эффективность консервации сельскохозяйственных машин при хранении зависит от свойств используемых консервационных материалов, их доступности, технологичности при нанесении, от технико-экономических показателей применяемых технических средств [37, 64]. При совершенствовании технологи консервации машин наряду с повышением производительности труда, большое значение придается экономному использованию финансовых, материальных и энергетических ресурсов.
Из-за достаточно высокой стоимости промышленных антикоррозионных мастик, истертые металлические поверхности сельхозмашин по-прежнему защищают отработанными моторными маслами и бензино-битумными составами, которые не дают полноценной противокоррозионной защиты на срок хранения техники [65]. Более эффективные загущенные смазки, содержащие отработанные масла с ингибирующими коррозию присадками (добавками), в основном, подходят для применения на почвообрабатывающей техники [66].
Для защиты от коррозии поверхностей уборочных машин требуются кон-сервационные материалы, формирующие твердо-пленочные покрытия [67]. Их использование при постановке техники на хранение позволит не проводить расконсервацию узлов после окончания хранения машин, а некоторые узлы -защищать в процессе их последующей эксплуатации. К таким материалам относятся ингибированные битумные составы, технология производства которых более сложна, чем технология приготовления загущенных смазок [68].
Более сложная технология [69] предусматривает более высокий уровень технической оснащенности специализированных участков по производству ин 37 гибированных битумных составов, и более высокую стоимость технологического оборудования. Поэтому специализированные участки по производству ингибированных битумных составов рентабельно создавать не в мелких хозяйствах, занятых производством сельхозпродукции, а на базе агрохолдингов и предприятий технического сервиса с годовым производством 4-6 тонн. При выборе исходных компонентов для малотоннажного производства [70] ингибированных битумных составов следует ориентироваться на доступные и недорогие продукты.
Рациональное использование ресурсов в технологии производства и применения ингибированных битумных составов предлагается оценивать посредством анализа схемы (рисунок 2.1), в основу которой положены методы, изложенные в работах [37, 71, 72, 73]. Схема позволяет выбрать рациональное соотношение между ресурсами (компоненты, техника, труд, энергия), необходимыми на получение и применение ингибированного битумного состава, и его свойствами (физическими, противокоррозионными), определяющими эксплуатационные и технологические показатели процесса консервации. При этом решается задача рационального ресурсопользования, то есть минимизации затрат средств на получение и применение битумного состава при условии обеспечения им требуемого уровня противокоррозионной защиты сельскохозяйственной техники.
При наличии альтернативных технологий консервации рассматриваемая схема позволяет выявить эффективную технологию в условиях ограниченного материально-технического обеспечения. Исходя из изложенного, нами предлагается 2-х уровневая модель разработки технологии консервации техники инги-бированными битумными составами:
1 уровень. Малотоннажное производство ингибированных битумных составов осуществляется на специализированном участке, его объем должен удовлетворять потребность сельхозпредприятий порядка 3-5 районов. С учетом этого обосновываются параметры технологических средств для резки твердых компонентов на куски, их нагрева и смешивания с жидкими компонентами.
2 уровень. Сельхозпредприятия приобретают необходимый объем произведенных битумных составов, а подготовленные и технически оснащенные звенья механизаторов наносят их на поверхности сельхозмашин. С учетом условий консервации техники на открытых площадках хранения обосновываются параметры технологического оборудования для нанесения битумных покрытий.
Для оценки технологии консервации техники ингибированными битумными составами предлагается использовать целевые функции, учитывающие объемы их производства и потребления. Целевая функция Фп оценки технологии малотоннажного производства ингибированного битумного состава: Фп = гпр/Упр - min, (2.1) где Zпр - суммарные затраты на производство битумного состава, руб; Vпр - годовой объем производства битумного состава, л. Суммарные затраты ресурсов (руб.) на годовое производство битумного состава в общем виде включают: пр = 5 іЧі + Трп Ст + ЕЦе + Ка (2.2) где V, - годовая потребность в /-компоненте, л/год; Ц - цена /-компонента, руб/л; Трп - годовые затраты труда на производство состава, чел-ч/год; Ст - среднечасовая заработная плата с начислениями, руб/чел-ч; Е - годовые затраты электроэнергии на производство состава, кВт-ч/год; Цэл - цена электроэнергии, руб/(кВт-ч); Ка - амортизация технических средств для производства состава, руб/год.
Методики определения условной вязкости и плотности ингибированных битумных составов
В работе [51] мощность привода рамной мешалки, разработанной для смесителя антикоррозионной мастики, определена на основе закона сохранения импульса момента сил. Согласно [51] импульс момента сил, получаемый мастикой от мешалки, передается стенке и дну резервуара благодаря вязкому трению. Приняв допущение, что в начальный момент работы вся загруженная масса компонентов вращается как монолит с частотой, равной частоте вращения вала мешалки, автор [37] получил формулу для определения затрат мощности: 2п3(4л + і?л) Nn = 7ТЦС0) (2.75) Приравняв выражения (2.74) и (2.75) найдем зависимость для определения параметра М для рамной мешалки: М = (2.76) 4 л + Rn 4ті5„ Из выражения (2.76) следует, что параметр М для рамной мешалки является безразмерной величиной, он зависит от геометрических размеров мешалки (Rл, Lл) и величины зазора (8л) между мешалкой и стенками резервуара.
По формуле (2.75) мощность мешалки Nn зависит от второй степени частоты вращения вала мешалки. Экспериментальная проверка [37] этой формулы показала, что при увеличении частоты вращения рамной мешалки от а 1 = 2,1 с" до ю2 = 2,94 с" , мощность, потребляемая электродвигателем, увеличилась от Nпi = 340 Вт до Л п2 = 550 Вт или в 1,62 раза. При этом кубическое соотношение частот (СО1/СО2) = 2,74 отличается от соотношения мощностей на 69 %, а квадратичное соотношение частот (сої/сог) = 1,96 отличается от соотношения мощностей на 21 %, что ближе к экспериментальному соотношению мощностей.
Анализ результатов исследования [37] относительно влияния частоты вращения вала мешалки на мощность привода подтверждает полученную нами зависимость, выраженную формулой (2.74). Знание такой зависимости позволит полнее учитывать запас мощности привода смесителя и управлять интенсивностью перемешивания компонентов в процессе малотоннажного производства битумных составов.
Состав оборудования, необходимого для малотоннажного производства битумных составов, схематично показан на рисунке 2.11. – контейнер с измельченными компонентами; 2 – брикет твердого компонента; 3 - гидравлический нож; 4 – масляная гидростанция; 5 – дозирующее устройство (весы); 6 – реактор-смеситель; 7 – тара для готового состава Схема малотоннажного производства ингибированных битумных составов Бухты 2 твердых компонентов, (битума, Эмульгина) режутся гидравлическим ножом 3 на куски, которые накапливаются в контейнере 1. Управляют работой ножа от масляной гидростанции 4. Порция кусков твердых компонентов отвешивается на дозирующем устройстве (весах) 5 и загружается в резервуар реактора-смесителя 6. Порция жидких компонентов отмеряется на весах 5 или в мерной емкости, и тоже заливается в реактор-смеситель 6. Приготовленный состав сливается в емкость 7.
В реакторе-смесителе твердые компоненты (битум, Эмульгин) необходимо растворить в жидком компоненте (в уайт-спирите) и перемешать до получения однородного состава. Растворение битума в уайт-спирите – это процесс, сопровождающийся переходом в раствор вещества, вводимого в аппарат в виде тврдых частиц. При этом имеющиеся в составе частиц нерастворимые примеси (асфальтены) незначительны и не образуют единой структуры [81]. Процесс растворения представляет собой совокупность последовательно протекающих стадий перехода вещества с поверхности тврдого тела в раствор у поверхности раздела фаз и отвода растворнного вещества от поверхности в ядро потока в результате молекулярной и турбулентной диффузии.
Как правило, стадия переноса растворнного вещества от границы раздела в ядро потока оказывается во много раз медленнее, чем стадия перехода вещества из тврдой фазы в раствор, поэтому концентрация растворяющегося компонента на поверхности частицы может быть принята равной концентрации насыщения [81]. В таких условиях скорость перехода вещества в раствор полностью определяется растворимостью вещества, площадью поверхности контакта, т.е. гранулометрическим составом частиц, а также коэффициентом мас-соотдачи на границе тврдая фаза–жидкость со стороны жидкой фазы, зависящим от интенсивности перемешивания.
Эффективность процесса смешивания компонентов возрастает при снижении их динамической вязкости за счет нагрева [84, 85]. Для нагрева, растворения и смешивания твердых компонентов с растворителем необходимо разработать реактор-смеситель, обеспечивающий «мягкий» нагрев компонентов и исключающий их контакт с ТЭНами. В реакторе-смесителе должны быть исключены утечки компонентов вдоль приводного вала.
С учетом указанных условий использована схема (рисунок 2.12) реактора-смесителя с нижним расположением привода рамной мешалки. Реактор-смеситель содержит корпус, рамную мешалку и привод. Корпус состоит из цилиндрического резервуара для компонентов и масляной рубашки, охватывающей резервуар снизу и сбоку. Внутри резервуара установлена центральная труба, которая проходит через отверстия в доньях резервуара и масляной рубашки и приварена к ним. Верхний конец центральной трубы находится выше уровня загрузки резервуара, а нижний конец - ниже дна масляной рубашки. На дне резервуара закреплена противорежущая пластина.
Ускоренные испытания ингибированных битумных составов в коррозионно-активной среде
Испытания показали, что стойкость битумного покрытия в коррозионно-активной среде возрастала с увеличением содержания битума от 63 до 80 % и присадки Эмульгин от 5 до 8 %, при уменьшении содержания сланцевой мастики от 32 до 12 %. При этом коррозионные потери стали снизились в 2,4 раза. Сланцевая мастика увеличивала текучесть составов с вертикально подвешенных пластин и снижала толщину покрытия с 12 до 9 мкм - вверху, с 19 до 15 мкм - внизу. В условиях ускоренных испытаний не проявилась способность сланцевой мастики повышать адгезию битумного покрытия к металлу. После обработки результатов ускоренных испытаний получено уравнение регрессии, адекватно описывающее влияние содержания битума (Х\), сланцевой мастики (Х2) и Эмульгина (Х3) на потери (Г, г/м2) стали 08 кп от коррозии в 3 % растворе NaCl: Y = 11,44 - 2,53ХХ + 1,56Х2 - 1,42Х3 - 0,93X 2 + 0,06X 3 - 0,08Х2Х3. (4.3)
Проверка значимости коэффициентов в уравнении регрессии (4.3) проводили по ґ-критерию Стьюдента при 5 % уровне значимости. Рассчитан доверительный интервал для коэффициентов уравнения регрессии: ± 0,636 г/м2. Так как значения коэффициентов при ХjХ2 = 0,06, а при Х2Х3 = -0,08 находятся внутри границ доверительного интервала, то эти коэффициенты - не значимы. Таким образом, адекватное уравнение регрессии со значимыми коэффициентами имеет вид: Y = 11,44 - 2,53Xi + 1,56Х2 - 1,42Х3 - 0,93X 2. (4.4) Из уравнения регрессии (4.4) следует, что коррозионные потери металла под покрытием снижаются при увеличении в составе содержания битума (Х\), Эмульгина (Х3) и при уменьшении сланцевой мастики (Х2). Так как у произведения факторов (XiX2) коэффициент (-0,93) значим и имеет знак минус, то уравнение регрессии указывает на необходимость увеличивать количество битума при увеличении сланцевой мастики или уменьшать количество сланцевой мастики при уменьшении битума. В обоих случаях потери металла от коррозии будут снижаться, так как коэффициент при произведении факторов (ХХХ2) сохранит знак минус.
Интерпретация уравнения регрессии позволила определить варианты битумных составов, показавших в коррозионно-активной среде лучшие и худшие защитные свойства. При защите стали составом № 1, содержащим битум 80 %, сланцевую мастику 12 %, присадку Эмульгин 8 %, коррозионные потери минимальны - 7,26 г/м2. При защите составом № 8, содержащим битум 63 %, сланцевую мастику 32 %, присадку Эмульгин 5 %, коррозионные потери в 3 % растворе NaCl максимальны - 17,76 г/м2.
Исследование показало, что в условиях воздействия агрессивной жидкой среды защитные свойства ингибированного битумного состава усиливаются при увеличении содержания битума и снижении сланцевой мастики.
Вязкость состава является основным технологическим параметром, влияющим на толщину покрытия и его защитные свойства, на пригодность к нанесению распылителями и экономичность процесса нанесения. Для удовлетворительного пневматического нанесения верхняя граница вязкости защитных смазок составляет 150 с ВЗ-4 [37]. При подготовке ингибированного битумного состава к нанесению пневмораспылителями следует ориентироваться на хорошее распыление и уровень вязкости - 100 с ВЗ-4 [60]. Изменяется вязкость битумных составов при введении растворителя или при нагреве.
Исследовано влияние уайт-спирита на условную вязкость битумных составов № 1 и № 8; исследования проведены при температуре 20-22 оС. По представленным на рисунке 4.10 зависимостям вязкостей vyc битумных составов от содержания в них уайт-спирита определены технологические концентрации
Для битумного состава № 1 технологическая концентрация уайт-спирита равна 59 %, для состава № 8 она немного ниже – 57 %. При технологических концентрациях уайт-спирита условная вязкость составов немного ниже 100 с ВЗ-4. Обеспечивает хорошее качество распыления при нанесении пневматическим распылителем СО-71 [60]. При этом толщина защитной пленки может достигать 60 мкм [67].
Так как содержащаяся в составах № 1 и № 8 сланцевая мастика достаточно дорога, то в битумный состав введен более доступный и дешевый пластификатор - мазут М100 [111]. С использованием мазута М100 разработаны две рецептуры ингибированных битумных составов: МЭБ-3 и МЭБ-4.
Готовая форма ингибированного битумного состава МЭБ-3 содержит (в % массы): битум – 31 %, мазут - 31 %, уайт-спирит - 31 %, а также присадку Эмульгин - 7 %. Покрытие из МЭБ-3 на стальной пластине высыхает под открытым небом в течение 2-х месяцев, сохранив эластичность. После периода высыхания толщина покрытия, нанесенного на вертикальную пластину, составила 58 мкм вверху и 97 мкм внизу.
При разработке технологии нанесения ингибированного битумного состава МЭБ-3 исследована зависимость его вязкости от температуры нагрева и содержания уайт-спирита. Результаты исследования – на рисунке 4.11.
Готовая форма битумного состава МЭБ-3 при температуре 30 оС имеет вязкость выше 250 с ВЗ-4. При нагреве до 40-45 оС вязкость состава снижается до 100-130 с ВЗ-4, и он может быть удовлетворительно распылен пневматическим распылителем .
В случае разбавления готовой формы состава МЭБ-3 уайт-спиритом в количестве 10 % его вязкость снизится до 100 с ВЗ-4 и будет достаточна для хорошего пневматического распыления. При этом общее содержание уайт-спирита в МЭБ-3 повысится от 31 до 41 %.
Анализ показывает, что при одинаковой вязкости составов МЭБ-3 и № 8 в составе МЭБ-3 содержится на 16 % меньше уайт-спирита, стоимость которого (60 руб/кг) самая высокая из всех компонентов.
С целью снижения стоимости производства ингибированных битумных составов принято предложение о замене уайт-спирита на более дешевое дизельное топливо, оптовая цена которого 25 руб/кг. В рецептуре нового состава МЭБ-4 произведена замена уайт-спирита на дизельное топливо и скорректировано соотношение компонентов. Готовая форма ингибированного битумного состава МЭБ-4 содержит компоненты (в % массы): битум - 25 %, мазут М100 -40 %, присадка Эмульгин - 5 %, дизельное топливо - 30 %.