Совершенствование процесса защиты жаток зерноуборочных комбайнов при их ремонтном окрашивании Пчельников Александр Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

1 Состояние вопроса и задачи исследования 13

1.1 Коррозия и ее последствия 13

1.2 Коррозионные процессы в сельском хозяйстве 14

1.3 Способы защиты сельскохозяйственной техники 18

1.3.1 Нанесение на поверхность смазочных консервационных материалов 18

1.3.2 Покрытия легкоплавкими цветными металлами 20

1.3.3 Порошково-полимерные покрытия 20

1.3.4 Лакокрасочные покрытия 21

1.4 Лакокрасочные материалы и покрытия 22

1.4.1 Лакокрасочные материалы, их применение для сельскохозяйственной техники 22

1.4.2 Формирование лакокрасочного покрытия и его свойства 24

1.4.3 Разрушение лакокрасочного покрытия 27

1.5 Выводы по главе 30

2 Теоретические предпосылки к совершенствованию технологического процесса ремонтного окрашивания жаток зерноуборочных комбайнов 32

2.1 Анализ процессов трения и износа 32

2.1.1 Процесс трения и его характеристики 33

2.1.2 Износ. Характеристики и виды изнашивания 35

2.2 Особенности транспортирования зернорастительной массы шнеком жатки зерноуборочного комбайна 40

2.2.1 Теоретическое обоснование объема выполненных работ на участках днища и шнека жатки в зависимости от наработки комбайна 43

2.2.2 Теоретическое обоснование значений коэффициентов трения скольжения пары трения «лакокрасочное покрытие – зернорастительная масса» 44

2.3 Определение интенсивности изнашивания лакокрасочного покрытия рабочих поверхностей жаток зерноуборочных комбайнов 46

2.4 Износ лакокрасочного покрытия при трении в паре с зернорастительной массой 48

2.4.1 Влияние пластификатора на износ и другие свойства полимеров 53

2.4.2 Влияние шероховатости поверхности на трение и износ полимеров 55

2.4.3 Влияние толщины лакокрасочного покрытия на его свойств 57

2.5 Интенсивность изнашивания и срок службы многослойного лакокрасочного покрытия 60

2.6 Выводы по главе 63

3 Программа и методика экспериментальных исследований 65

3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований 65

3.2 Выбор объекта исследования по представительности и значимости 67

3.3 Сбор и обработка статистических данных 70

3.4 Методика расчета количества лакокрасочного материала 71

3.5 Методика определения коэффициентов трения скольжения зернорастительной массы 75

3.6 Методика определения адгезионной прочности лакокрасочных покрытий 79

3.7 Методика определения прочности лакокрасочных покрытий к истиранию 81

3.7.1 Определение влияния твердости лакокрасочного покрытия на интенсивность его изнашивания 85

3.7.2 Определение влияния шероховатости лакокрасочного покрытия на интенсивность его изнашивания 87

3.7.3 Определение влияния толщины внешнего слоя лакокрасочного покрытия на интенсивность его изнашивания 88

3.8 Определение прочности к истиранию лакокрасочного покрытия в эксплуатационных условиях 89

3.9 Определение твердости лакокрасочного покрытия в зависимости от концентрации пластификатора в составе эмали 90

3.10 Определение шероховатости лакокрасочного покрытия в зависимости от добавления разбавителя в эмаль 92

3.11 Методика определения интенсивности изнашивания лакокрасочного покрытия в зависимости от твердости, шероховатости и толщины внешнего слоя лакокрасочного покрытия 3.11.1 Выбор отклика, числа факторов и уровней варьирования 93

3.11.2 Подготовка и проведение испытаний по определению совместного влияния факторов на интенсивность изнашивания лакокрасочного покрытия 98

3.12 Измерительный инструмент и оборудование, обработка экспериментальных данных 99

4 Результаты экспериментальных исследований 101

4.1 Определение системы лакокрасочных покрытий 101

4.1.1 Коэффициенты трения скольжения зернорастительной массы 101

4.1.2 Адгезионная прочность лакокрасочных покрытий 103

4.1.3 Прочность лакокрасочных покрытий к истиранию 104

4.2 Интенсивность изнашивания лакокрасочного покрытия в зависимости от влияния выбранных факторов 109

4.2.1 Интенсивность изнашивания лакокрасочного покрытия в зависимости от добавления пластификатора 110

4.2.2 Интенсивность изнашивания лакокрасочного покрытия в зависимости от добавления разбавителя 111

4.2.3 Интенсивность изнашивания лакокрасочного покрытия в зависимости от толщины его внешнего слоя 113

4.3 Результаты исследования интенсивности изнашивания лакокрасочного покрытия при совместном влиянии факторов 116

4.4 Практическое использование результатов исследования 118

4.5 Выводы по главе 125

5 Экономическая эффективность результатов исследований 128

Заключение 140

Список литературы 143

Приложения 158

• Коррозионные процессы в сельском хозяйстве
• Износ лакокрасочного покрытия при трении в паре с зернорастительной массой
• Методика определения интенсивности изнашивания лакокрасочного покрытия в зависимости от твердости, шероховатости и толщины внешнего слоя лакокрасочного покрытия 3.11.1 Выбор отклика, числа факторов и уровней варьирования
• Практическое использование результатов исследования

Введение к работе

Актуальность темы исследований. Из-за коррозионного разрушения металла потери его в Российской Федерации ежегодно составляют до 12% от общего металлофонда страны (1,6 млрд т). Одну из основных частей металлофонда (до 150 млн т) состаляет сельскохозяйственная отрасль. Срок службы техники и оборудования в сельском хозяйстве в 2,5-3 раза короче, чем в промышленности и транспорте, что связано со специфическими особенностями е эксплуатации и хранения.

Значительная часть потерь металла в сельском хозяйстве приходится на комбайновый парк, где ежегодные потери вследствие коррозии составляют более 3000 т. Наиболее интенсивно подвержены разрушению рабочие органы комбайнов - жатки, контактирующие с почвой и растительной массой. У жаток зерноуборочных комбайнов в первую очередь подвергаются коррозии их рабочие поверхности – поверхности днища и шнека, по которым перемещается зернорастительная масса.

При контакте с зернорастительной массой защитное лакокрасочное покрытие рабочих поверхностей жаток изнашивается менее чем за один сезон, впоследствии, при хранении и эксплуатации, поверхности могут взаимодействовать с такими факторами, как влажный воздух, дожди, ветро-снеговые нагрузки, солнечная радиация, перепады температуры окружающего воздуха, остатки убираемой зернорастительной массы и др., что значительно ускоряет процессы коррозии.

Одним из наиболее эффективных способов защиты сельскохозяйственной техники от коррозии для условий эксплуатации и хранения являются лакокрасочные покрытия.

Для восстановления лакокрасочных покрытий применяются технологические процессы ремонтного окрашивания, имеющие свои особенности, которые возникают вследствие того, что на металлических поверхностях, подлежащих окрашиванию, присутствуют очаги коррозии, остатки старого лакокрасочного покрытия и др. В то же время отремонтированное лакокрасочное покрытие не должно уступать по своим свойствам лакокрасочному покрытию, получаемому в заводских условиях, при производстве комбайнов. Стоит отметить, что при правильном выборе лакокрасочных материалов и строгом соблюдении технологического процесса окрашивания жаток зерноуборочных комбайнов получаемое лакокрасочное покрытие должно обеспечивать защитные свойства в течение двух лет при условии соблюдения требований эксплуатации.

Стратегией машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 г., утвержденной решением Министерства сельского хозяйства Российской Федерации от 4.07.2008 №5 и одобренной решением Президиума Россельхозакадемии от 9.10.2008 №10, предусмотрен ввод новых технологических процессов и оборудования для технического обслуживания, ремонта машин и оборудования агропромышленных товаропроизводителей.

В связи с этим совершенствование технологического процесса ремонтного окрашивания жаток зерноуборочных комбайнов для получения износостойкого лакокрасочного по-

крытия на их рабочих поверхностях, является важной и актуальной задачей современного ремонтного производства.

Задачей представленной научной работы является получение износостойкого лакокрасочного покрытия на рабочих поверхностях жаток зерноуборочных комбайнов для его использования при ремонтном окрашивании. Выполнение поставленной задачи имеет существенное значение в области технического обслуживания сельскохозяйственных машин.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР ФГБОУ ВО Новосибирский ГАУ в рамках государственной темы №01201372516 «Повышение долговечности лакокрасочных покрытий при ремонтном окрашивании сельскохозяйственной техники в условиях Западно-Сибирского региона».

Степень разработанности темы. Решением вопросов защиты сельскохозяйственной техники от коррозии и износа занимались такие ученые, как С.М. Гайдар, А.М. Кравченко, М.Б. Латышенок, Б.Р. Магомедов, М.Н. Меламед, А.И. Петрашев, В.Д. Прохоренков, Е.А. Пучин, М.М. Севернев, А.Э. Северный, И.Н. Фишман и др., многие работы посвящены решению вопросов по защите от коррозии сельскохозяйственной техники при хранении различными смазочными консервационными материалами, однако, вопросам окрашивания сельскохозяйственной техники при ремонте уделяется незначительное внимание.

Проблемами восстановления лакокрасочных покрытий и ремонтного окрашивания сельскохозяйственной техники занимались следующие ученые: А. Абдуназаров, Б.Р. Магомедов, А.Л. Новиков, А.И. Петрашев, В.Е. Ромашов, А.Э. Северный, О.Н. Терновская, Б.П. Яковлев и др., но недостаточно работ посвящено решению вопросов износостойкости лакокрасочных покрытий рабочих органов сельскохозяйственных машин.

Изменение физико-механических свойств лакокрасочных покрытий за счет модификации лакокрасочных материалов изучали Г.М. Бартенев, Р. Ламбурн, А.Т. Санжаровский и др., не акцентируя, однако, внимания на повышении износостойкости.

Предполагается, что повысить износостойкость лакокрасочного покрытия рабочих поверхностей жаток зерноуборочных комбайнов возможно путем модификации лакокрасочных материалов и совершенствования технологии их нанесения, что в полной мере соответствует стратегии машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 г.

Цель исследования: повышение износостойкости лакокрасочного покрытия жаток зерноуборочных комбайнов за счет совершенствования технологического процесса ремонтного окрашивания.

В соответствии с целью сформулированы задачи исследования:

1. Исследовать закономерности изнашивания лакокрасочного покрытия рабочих поверхностей жаток зерноуборочных комбайнов.

2. Разработать аналитические зависимости интенсивности изнашивания многослойного лакокрасочного покрытия.

3. Провести экспериментальные исследования и разработать технологический процесс ремонтного окрашивания рабочих поверхностей жаток зерноуборочных комбайнов.

4. Провести производственную проверку и оценить экономическую эффективность полученных результатов исследования.

Объект исследования: процесс изнашивания лакокрасочного покрытия рабочих поверхностей жаток зерноуборочных комбайнов.

Предмет исследования: закономерности изнашивания лакокрасочного покрытия рабочих поверхностей жаток зерноуборочных комбайнов.

Научная новизна работы:

аналитические зависимости для определения интенсивности изнашивания двухслойного и многослойного лакокрасочных покрытий, позволяющие рассчитать интенсивность их изнашивания с учетом различной толщины слоев применяемых лакокрасочных материалов;

значения коэффициентов трения скольжения зернорастительных масс ржи, ячменя, пшеницы, овса по лакокрасочным покрытиям на основе эмалей ПФ-115, МЛ-152, АК-1301;

закономерность изменения интенсивности изнашивания лакокрасочного покрытия (грунт ЭП-057 – эмаль АК-1301) за счет добавления в эмаль пластификатора на основе ди-бутилфталата.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретические исследования позволили установить особенности износа лакокрасочного покрытия рабочих поверхностей жаток зерноуборочных комбайнов, а также установить взаимосвязь интенсивности изнашивания лакокрасочного покрытия с толщиной его внешнего слоя, что явилось основой для разработки технологического процесса ремонтного окрашивания жаток.

Практическая значимость заключается в разработке технологического процесса ремонтного окрашивания рабочих поверхностей жаток зерноуборочных комбайнов, позволяющего повысить износостойкость лакокрасочного покрытия; в разработке устройств для определения прочности покрытий к истиранию, для определения адгезионной прочности покрытий, для определения коэффициентов трения скольжения зернорастительной массы. Новизна технических решений защищена патентами РФ: №2640239, №2573670, №138561, №144098, №168916.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований имеют практическую значимость для ремонтно-технических и сельскохозяйственных предприятий.

Методика исследований. Теоретические исследования проводились с использованием математического аппарата теории внешнего трения и изнашивания. Экспериментальные исследования выполнялись на основе теории планирования эксперимента, стандартных и общепринятых методик, а также разработанных на их базе частных методик. При этом использовались поверенные и калиброванные приборы, инструменты для проведения статических и динамических измерений. Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась с помощью статистических методов обработки опытных данных с использованием компьютерных программ MicrosoftExcel 2013 и программно-алгоритмического средства обработки данных трехфакторного планированного эксперимента «B-D 13».

Положения, выносимые на защиту:

4. Аналитические зависимости определения интенсивности изнашивания двухслойного и многослойного лакокрасочных покрытий.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию выбора системы лакокрасочных покрытий, состава лакокрасочных материалов и параметров технологии окрашивания.

6. Результаты производственной проверки и оценки эффективности разработанной технологии ремонтного окрашивания рабочих поверхностей жаток зерноуборочных комбайнов.

Реализация результатов исследований осуществлялась совместно:

с ремонтно-техническим предприятием ОАО «Сузунское РТП» Сузунского района Новосибирской области при внедрении разработанного технологического процесса ремонтного окрашивания жаток зерноуборочных комбайнов;

с сельскохозяйственными предприятиями ЗАО «Студновское» (Карасукский район), ЗАО «Крутишинское» (Черепановский район) Новосибирской области при обосновании системы лакокрасочного покрытия.

Результаты исследования используются в учебном и научно-исследовательском процессах ФГБОУ ВО Новосибирский ГАУ.

Степень достоверности и апробация работы. Достоверность подтверждается достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований; использованием современных общепринятых методик, ГОСТов, приборов и оборудования; схождением результатов, полученных теоретическими и экспериментальными исследованиями; совпадением полученных результатов с данными других исследователей по соответствующей тематике; внедрением полученных результатов в производство; выступлениями с докладами на международных конференциях с результатами исследований; одобрением и публикацией материалов в ведущих журналах.

Результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на заседаниях кафедры надежности и ремонта машин и на ученом совете Инженерного института Новосибирского ГАУ (2013 - 2017 гг.); на региональных научно-практических конференциях «Состояние и инновации технического сервиса машин и оборудования» в Новосибирском ГАУ (Новосибирск, 2013 и 2014 гг.); на II этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых Минсельхоза России в Красноярском ГАУ (Красноярск, 2016 г.); на III этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых Минсельхоза России в РГАУ МСХА им. К.А.Тимирязева (Москва, 2016 г.); на VII научно-практической конференции с международным участием «Чтения И.П. Терских» «Актуальные вопросы инженерно-технического и биотехнологического обеспечения АПК» в Иркутском ГАУ (Иркутск, 2017 г.).

Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.20.03 – Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве, п.5 «Разработка технологий и средств выполнения отдельных операций

технического обслуживания и ремонта машин» и п. 9 Положения о присуждении ученых степеней – изложены новые, научно обоснованные технические, технологические или иные решения и разработки, имеющие существенное значение для развития страны.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 18 печатных работ, в том числе 3 статьи в научно-технических изданиях из перечня ВАК РФ, получено 3 патента на полезную модель и 2 патента на изобретение. Общий объем публикаций составил 6,55 печ. л., в том числе 3,7 печ. л. принадлежит лично соискателю.

Личный вклад автора состоит в проведении анализа литературных источников по теме диссертации, в непосредственном участии соискателя в получении исходных данных и научных экспериментах, обработке теоретических и экспериментальных исследований, разработке технологического процесса ремонтного окрашивания рабочих поверхностей жаток зерноуборочных комбайнов, расчете технико-экономической эффективности предложенных технических решений, а также в личном участии соискателя в апробации результатов исследования на региональных, всероссийских и с международным участием конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 150 наименований и 11 приложений. Объем диссертации составляет 181 страницу машинописного текста, включает 16 таблиц, 51 рисунок.

Коррозионные процессы в сельском хозяйстве

Металлофонд сельского хозяйства составляет около 150 млн т. Из них около 80 млн т относятся к тракторам, комбайнам и другим сельскохозяйственным машинам. Результаты исследования, проведенные Е.А. Пучиным, показывают, что потери от коррозии и износа сельскохозяйственной техники оцениваются ежегодно более чем в 2 млн т, при этом 1 млн т теряется безвозвратно [99]. Свыше 30% отказов сельскохозяйственных машин происходит по причине коррозионного разрушения. А на устранение ущерба, возникшего из-за потери агрегатами и деталями своих функциональных свойств, ежегодно тратится до 30% средств от общих затрат на восстановление их работоспособности [20].

Стоит отметить, что срок службы техники и оборудования в сельском хозяйстве в 2,5-3 раза короче, чем в промышленности и транспорте [101]. Это связано со специфическими особенностями их эксплуатации и хранения. В период эксплуатации техника работает от 15 до 110 дней в году (4-33% годового фонда рабочего времени) [143], а сельскохозяйственные работы начинаются с периода потепления, когда воздух прогревается до положительной температуры, и заканчиваются в период похолодания. В связи с этим металлические поверхности сельскохозяйственных машин подвергаются резкому перепаду температур в начальный и конечный периоды работ, а также интенсивному воздействию атмосферных осадков, вследствие которых образуются пленки влаги, вызывающие коррозию металла. Помимо этого, при эксплуатации сельскохозяйственных машин характерно влияние и других факторов: растворы удобрений, сок растений, механические нагрузки и др. [143, 145].

Если рассматривать условия хранения, то наиболее отрицательно на узлы и детали машин воздействуют электрохимические процессы, вызываемые попаданием атмосферной влаги на незащищенные металлические поверхности. А в результате переменной температуры и солнечной радиации разрушаются поверхность защитного лакокрасочного покрытия, резинотехнические и некоторые полимерные изделия [143]. Помимо вышеперечисленных факторов, в зависимости от условий хранения возможно влияние и таких факторов, как ветро-снеговые нагрузки, остатки на поверхностях машин зернорастительной массы, удобрений и др.

Из практики известно, что наиболее распространенным видом коррозионного разрушения металлических поверхностей сельскохозяйственных машин является атмосферная коррозия. Это связано с тем, что сельскохозяйственная техника эксплуатируется и хранится в основном в атмосферных условиях [73, 83, 101, 112, 143, 144].

Известно, что 70-80% деталей машин выходят из строя вследствие совместного воздействия атмосферной коррозии и механических нагрузок. Из них 20-25% приходится на долю поломок по причине потери прочности из-за атмосферной коррозии [20]. Однако стоит отметить, что помимо атмосферной коррозии на металлические поверхности возможно одновременное влияние и других коррозионных процессов. Это связано с тем, что при эксплуатации на многие поверхности зерноуборочных комбайнов, тракторов и другой сельскохозяйственной техники оказывают влияние факторы, вызывающие коррозионно-механические разрушения [101]:

- агрессивность и абразивность внешней среды, обусловливающие наличие на поверхностях деталей машин частиц почвы, удобрений;

- воздействие окружающей температуры и атмосферных осадков, создающих на поверхностях деталей пленку влаги;

- динамические нагрузки на материалы деталей;

- состояние исходных поверхностей материала деталей (шероховатость, твердость).

Таким образом, помимо атмосферной коррозии может происходить фрет-тинг-коррозия, кавитационное разрушение, коррозия под напряжением (растрескивание), биохимическая коррозия и др.

Более интенсивно развиваются коррозионные процессы на агрегатах и элементах машин, которые соприкасаются с почвой, растениями, минеральными удобрениями, ядохимикатами. Одним из основных примеров действия сочетания коррозионных процессов совместно с факторами, вызывающими коррозионно-механические разрушения, являются поверхности рабочих органов сельскохозяйственных машин (плуги, сеялки, жатки и др.) [143].

Проведенные А.Э. Северным исследования показали, что более интенсивно развиваются коррозионные процессы на деталях и элементах сельскохозяйственных машин, которые соприкасаются с почвой, растениями, минеральными удобрениями, ядохимикатами. Детали машин, которые не соприкасаются с почвой (семенные ящики, защитные кожухи, рамы), за год поражаются коррозией на глубину 0,02-0,07 мм. Детали рабочих органов и опорных частей, которые непосредственно соприкасаются с почвой, зернорастительной массой, корродируют на глубину 0,42-0,44 мм [112]. Таким образом, рабочие органы подвержены коррозии в среднем в 14 раз больше, чем остальные детали, узлы и агрегаты. В связи с этим необходимо применять особые подходы к защите рабочих органов сельскохозяйственных машин для сохранения их работоспособности.

Одни из рабочих органов, которые подвергаются интенсивному воздействию коррозионных процессов, жатки зерноуборочных комбайнов. Во время эксплуатации для их рабочих поверхностей – поверхностей днища и шнека, по которым перемещается зернорастительная масса, опасными являются такие коррозионные процессы, как фреттинг-коррозия и коррозионная кавитация, которые возникают, как правило, при трении или вибрации, а также при ударе. Устранение этих видов коррозии возможно правильным выбором конструкционного материала, снижением коэффициента трения либо применением защитных покрытий [101]. Рабочие поверхности жаток зерноуборочных комбайнов больше остальных поверхностей подвергаются коррозионным процессам, они выполнены из тонколистовых металлоконструкций, а применяемые марки стали при их выполнении, как правило, Ст3 и 08кп. Вследствие эксплуатации у рабочих поверхностей жаток наблюдается не только интенсивное протекание коррозионных процессов, но и разрывы металла [21, 101].

Кроме того, проведенные учеными ФГБНУ «Росинформагротех» испытания влияния продолжительности атмосферной коррозии на коррозионные потери и циклическую прочность сталей Ст3 и 08кп, показали, что коррозия в течение одного года снижает усталостную прочность стали 08кп со 180 до 108 МПа (на 40%), стали Ст3 - со 190 до 127 МПа (на 33%). Совместное влияние предварительной коррозии в течение одного года и коррозионной среды снижает циклическую прочность стали 08кп со 180 до 81 МПа (на 55%), стали Ст3 - со 190 до 100 МПа (на 47%) [21].

Стоит отметить, что эксплуатация рабочих органов с интенсивно протекающими процессами коррозии приводит и к косвенным потерям. В результате длительных коррозионных процессов вероятно образование на поверхности металла точечной коррозии, язв [83, 112]. Для жаток зерноуборочных комбайнов это может привести к затрудненному прохождению зернорастительной массы к наклонной камере и, как следствие, повлияет на эффективность проведения уборочных работ [7].

В результате можно сделать вывод, что в настоящий момент сельское хозяйство несет существенные потери, связанные с коррозией. Огромные затраты на ремонт сельскохозяйственной техники и убытки, связанные с потерей металла от коррозии, говорят о неудовлетворительном состоянии противокоррозионной защиты техники и объясняются многими причинами. К одной из причин можно отнести слабую материально-техническую базу: в настоящее время экономическая ситуация в большинстве хозяйств не позволяет оснастить ремонтные мастерские современным необходимым технологическим оборудованием для технического сервиса. Другая причина – недостатки применяемых технологических процессов консервации и ремонтного окрашивания сельскохозяйственной техники [101]. В связи с этим существует необходимость в разработке новых подходов и решений по защите сельскохозяйственной техники от коррозии, в том числе для рабочих органов сельскохозяйственных машин.

Износ лакокрасочного покрытия при трении в паре с зернорастительной массой

При перемещении зернорастительной массы по рабочим поверхностям жатки зерноуборочного комбайна возникает пара трения «зернорастительная масса -лакокрасочное покрытие», и в результате этого взаимодействия изнашивается лакокрасочное покрытие. Из главы 1 следует, что лакокрасочные покрытия относятся к твердым полимерам, которые получают путм нанесения лакокрасочных материалов. Таким образом, для теоретического представления износа лакокрасочного покрытия рабочих поверхностей жаток зерноуборочных комбайнов необходимо рассмотреть теорию трения и износа полимеров.

Одними из основоположников теории износа полимеров являлись такие ученые, как М.М. Хрущев, И.В. Крагельский, Г.В. Виноградов, М.М. Резников, С.Б. Ратнер и др. Они утверждали, что износ – явление значительно более сложное, чем внешнее трение, и представляет собой результат совокупности физико-химических процессов, протекающих на поверхности трения и в граничных слоях полимеров.

И.В. Крагельским были определены виды изнашивания полимеров: усталостное, абразивное, кавитационное, эрозионное. При этом для полимеров характерны те же виды контакта, которые описаны в разделе 2.1.2, что и для других материалов [5].

Пару трения «зернорастительная масса – лакокрасочное покрытие» также стоит рассматривать с учетом известных классификаций (рисунок 2.8). Исходя из исследований М.М. Тененбаума [122], при перемещении зернорастительной массы по рабочим поверхностям жатки происходит абразивное изнашивание лакокрасочного покрытия этих поверхностей.

В свою очередь И.В. Крагельский, В.А. Белый, А.И. Свириденок, называют наиболее характерными видами контакта при абразивном изнашивании упругий контакт и пластический контакт [5]. Для определения интенсивности абразивного изнашивания при упругом контакте известна формула [5]

Из формул (2.25)-(2.27), можно сделать вывод, что интенсивность абразивного изнашивания полимеров зависит в основном от твердости и шероховатости поверхности.

Работы таких ученых, как М.М. Тененбаум, В.С. Комбалов Г.М. Бартенев, В.В. Лаврентьев, И.В. Крагельский, В.А. Белый, А.И. Свириденок, позволили получить представление о влиянии различных факторов на износ лакокрасочного покрытия при трении в паре с зернорастительной массой (рисунок 2.9) [3, 5, 62, 122].

Факторы, влияющие на износ лакокрасочного покрытия рабочих поверхностей жаток зерноуборочных комбайнов можно разделить на внешние и внутренние. В свою очередь, внешние факторы можно разделить на факторы, зависящие от свойств зернорастительной массы и зависящие от условий перемещения зерно-растительной массы. Какими свойствами обладает зернорастительная масса, зависит от убираемой культуры, а условия перемещения зернорастительной массы - от режимов работы комбайна [122]. К внутренним факторам относятся параметры лакокрасочного покрытия, формируемого на рабочих поверхностях жаток, которые задаются свойствами лакокрасочных материалов и технологией окрашивания. Так как целью диссертационной работы является повышение износостойкости лакокрасочного покрытия жаток зерноуборочных комбайнов за счет совершенствования технологического процесса ремонтного окрашивания, то к дальнейшему анализу могут быть приняты только внутренние факторы, относящиеся к параметрам лакокрасочного покрытия, формируемого на рабочих поверхностях жаток зерноуборочных комбайнов непосредственно за счет технологии окрашивания: адгезионная прочность, твердость, шероховатость и толщина лакокрасочного покрытия (рисунок 2.10).

Адгезия – основополагающее свойство лакокрасочного покрытия, определяющее его долговечность. Известно, что лучшая адгезионная прочность лакокрасочного покрытия достигается в основном за счет качества подготовки поверхности, а также выбора наносимых лакокрасочных материалов. Чем более тщательно подготовлена поверхность, тем лучшая адгезионная прочность с поверхностью у лакокрасочного покрытия и наоборот [18, 139]. Описанная в разделе 2.4 теория внешнего трения и изнашивания позволяет рассматривать в качестве факторов, влияющих на износ лакокрасочного покрытия при трении в паре с зернорастительной массой, такие параметры лакокрасочного покрытия, как твердость и шероховатость.

Методика определения интенсивности изнашивания лакокрасочного покрытия в зависимости от твердости, шероховатости и толщины внешнего слоя лакокрасочного покрытия 3.11.1 Выбор отклика, числа факторов и уровней варьирования

Выбор параметра оптимизации осуществлялся на основании поставленных задач исследования, в соответствии с которыми необходимо было получить экспериментальные данные о совокупном влиянии ряда факторов, приведенных во второй главе (адгезионная прочность, твердость, шероховатость и толщина внешнего слоя лакокрасочного покрытия) на износостойкость лакокрасочного покрытия при трении в паре с зернорастительной массой. В качестве отклика была выбрана интенсивность изнашивания лакокрасочного покрытия, которая удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к отклику: количественной мере оценки; однозначности количественной оценки; однозначности в статистическом смысле, т.е. заданному сочетанию уровней факторов должно соответствовать одно значение отклика; эффективности в статистическом смысле, т.е. определение с наибольшей точностью; доступности измерения, универсальности и полноты; существенности при всех состояниях исследуемого объекта.

После выбора отклика на основании предварительных опытов и анализа литературных источников были найдены определяющие факторы, которые в наибольшей степени оказывают влияние на интенсивность изнашивания лакокрасочного покрытия при трении в паре с зернорастительной массой. Определяющие факторы выбирались с учетом следующих условий [2, 25, 66]:

- управляемость - способность принимать заданные значения и оставаться постоянными на протяжении всего опыта;

- независимость (однозначность) - отсутствие функциональной зависимости с другими факторами и возможность установления требуемого уровня независимо от уровня других факторов;

- совместимость - возможность безопасного осуществления всех комбинаций уровней факторов;

- непосредственная связь с функцией отклика.

Из второй главы следует, что адгезионная прочность лакокрасочного покрытия является основополагающим параметром при формировании покрытия: при низкой адгезионной прочности будут значительно ниже показатели и других параметров. Тогда этот фактор не может быть выбран как один из определяющих, так как не удовлетворяет условию независимости.

Исходя из этого в качестве влияющих факторов были выбраны:

- твердость лакокрасочного покрытия;

- шероховатость лакокрасочного покрытия;

- толщина внешнего слоя лакокрасочного покрытия.

После предъявления основных требований к факторам необходимо выбрать интервал варьирования. Интервалы варьирования выбирались с учетом ограничений:

- интервал варьирования должен быть больше погрешности, с которой определяется фактор;

- верхний и нижний уровни варьирования не должны выходить за пределы области определения фактора.

Поэтому для определения уровней варьирования факторов были проведены дополнительные эксперименты, методика которых описана в разделах 3.6.1-3.6.3, позволившие выявить допустимые значения факторов. В результате проведения предварительных экспериментов установлены следующие интервалы варьирования: - твердость лакокрасочного покрытия изменялась в зависимости от добавления в состав эмали пластификатора. За нижний уровень было принято значение 0% (т.е. без добавления пластификатора), что соответствовало наивысшему значению твердости. За верхний уровень принято значение 50% добавления пластификатора как значение, при котором возможно определение интенсивности изнашивания (добавление пластификатора более 50% приводило к тому, что лакокрасочное покрытие становилось слишком мягким и определение интенсивности изнашивания становилось невозможным). Для равного шага интервала варьирования в качестве значения основного уровня принято 25%;

- шероховатость лакокрасочного покрытия изменялась в зависимости от количества добавления разбавителя в эмаль от объема, оставшегося после нанесения первого слоя. Разбавитель добавлялся поэтапного (перед нанесением второго и последующих слоев) в соответствии с таблицей 3.4. За нижний уровень было принято значение 0% (т.е. без добавления разбавителя), что соответствовало наибольшему значению шероховатости. За верхний уровень принято значение 60% добавления разбавителя, так как в этом случае наблюдаются минимальные значение износа покрытия. Для равного шага интервала варьирования в качестве значения основного уровня принято 30%;

- толщина внешнего слоя лакокрасочного покрытия изменялась в зависимости от количества нанесенной эмали. Минимальная рекомендуемая толщина (номинальная толщина) в соответствии с технической документацией при нанесении эмали АК-1301 - 40 мкм. Это значение принято за нижний уровень. За верхний уровень варьирования принято значение 80 мкм (в соответствии с ISO 12944-5 и технической документации по применению эмали) [62, 124, 125]. Для равного шага интервала варьирования в качестве значения основного уровня принято 60 мкм.

В силу того, что между выбранным параметром оптимизации и влиянием факторов существует нелинейная связь, целесообразно применить аппроксимацию отклика полиномом второй степени:

Для оценки всех коэффициентов при небольшом интервале факторов исследования проводят по плану факторного эксперимента, в котором переменные варьируются на трех уровнях.

В результате сравнения существующих планов эксперимента был выбран композиционный симметричный трехуровневый план B-D13. Данный план эксперимента является наиболее подходящим при определении технологических параметров материалов, а также подбора рецептур [4, 35, 90]. Планом предусмотрено проведение 10 опытов с варьированием факторов (таблица 3.5).

Правый столбец таблицы 3.7 заполнялся по результатам проведенных испытаний.

Практическое использование результатов исследования

Проведенный теоретический анализ изнашивания лакокрасочного покрытия рабочих поверхностей жаток зерноуборочных комбайнов, представленный в разделе 2.2, показал, что покрытие на поверхностях днища и шнека жаток изнашивается неравномерно и может составлять от нескольких микрометров у краев жатки до полного истирания к середине.

Анализ изнашивания лакокрасочного покрытия днища и шнека жаток зерноуборочных комбайнов, проведенный в хозяйствах Новосибирской области (рисунок 4.13), подтвердил теоретические исследования и позволил выявить, что за один сезон эксплуатации при средней наработке комбайна 700 га лакокрасочное покрытие на жатках изнашивается до металла на участках рабочих поверхностей, расположенных напротив наклонной камеры. Площадь зоны интенсивного изнашивания, на которой расположены эти участки, составляет 9-10 м2, или от 25 до 50% от всей площади рабочих поверхностей днища и шнека жатки (в зависимости от их ширины 9, 7, 6, 5 м).

На основании теоретических предпосылок и проведенных экспериментальных исследований разработан технологический процесс ремонтного окрашивания рабочих поверхностей жаток зерноуборочных комбайнов с целью получения износостойкого лакокрасочного покрытия (патент РФ № 2640239).

Технологический процесс предусматривает формирование в зоне интенсивного изнашивания лакокрасочного покрытия с повышенной износостойкостью (рисунок 4.14).

В зависимости от степени износа лакокрасочного покрытия рабочих поверхностей днища и шнека жаток зерноуборочных комбайнов предлагается два варианта выполнения технологического процесса: с площадью износа до 10 м2 и более 10 м2. При осуществлении технологического процесса рекомендуется применять систему лакокрасочных покрытий «эпоксидный грунт (ЭП-057) – акриловая эмаль (АК-1301)».

Для осуществления первого варианта технологического процесса на рисунках 4.15, 4.16 изображены схема нанесения лакокрасочных материалов и общая схема формирования лакокрасочного покрытия, которые отражают особенности технологического процесса (подробное описание представлено в приложении А, таблица А1):

1. Рассчитывается площадь окрашивания и количество необходимого лакокрасочного материала по методике, представленной в разделе 3.4 (см. приложение Б).

2. Приготовление грунта ЭП-057: смешивание грунта ЭП-057, отвердителя №3 и растворителя Р4 согласно пропорциям, указанным в технической документации.

3. На всю предварительно подготовленную окрашиваемую площадь поверхности наносится первый слой грунта.

4. Второй слой грунта наносится с перекрытием (5-7 см) первого слоя.

5. Приготовление эмали АК-1301: смешивание эмали АК-1301, отвердите-ля №1301 и разбавителя 1301 согласно пропорциям, указанным в технической документации.

6. Перед нанесением на поверхность эмали в нее добавляется пластификатор на основе дибутилфталата в количестве 34% от общего объема.

7. Первый слой эмали наносится на всю загрунтованную площадь с перекрытием (5-7 см).

8. Приготавливается 60 % разбавителя 1301 от оставшегося объема эмали.

9. В эмаль перед нанесением второго слоя добавляется 1/3 часть от приготовленного разбавителя, второй слой наносится с перекрытием (5-7 см) первого.

10. В эмаль перед нанесением третьего слоя добавляется 1/3 часть от приготовленного разбавителя, третий слой наносится с перекрытием (5-7 см) второго.

11. В эмаль перед нанесением четвертого слоя добавляется 1/3 часть от приготовленного разбавителя, четвертый слой наносится с перекрытием (5-7 см) третьего.

Второй вариант технологического процесса осуществляется при износе лакокрасочного покрытия более чем на 10 м2 на площади рабочих поверхностей днища и шнека и включает в себя следующие особенности (рисунок 4.17) (подробное описание представлено в приложении А, таблица А2):

1. Рассчитывается площадь окрашивания и количество необходимого лакокрасочного материала по методике, представленной в разделе 3.4 (см. приложение Б).

2. Приготовление грунта ЭП-057: смешивание грунта ЭП-057, отвердителя №3 и растворителя Р4 согласно пропорциям, указанным в технической документации.

3. На всю предварительно подготовленную окрашиваемую площадь поверхности наносится первый слой грунта.

4. Второй слой грунта наносится с перекрытием (5-7 см) первого слоя.

5. Приготовление эмали АК-1301: смешивание эмали АК-1301, отвердителя №1301 и разбавителя 1301 согласно пропорциям, указанным в технической документации.

6. Первый слой эмали наносится на всю загрунтованную площадь с перекрытием (5-7 см).

7. Перед нанесением второго слоя в эмаль добавляется пластификатор на основе дибутилфталата в количестве 34% от общего объема.

8. Приготавливается 60 % разбавителя 1301 от оставшегося объема эмали.

9. В эмаль перед нанесением второго слоя добавляется 1/3 часть от приготовленного разбавителя, второй слой наносится с перекрытием (5-7 см) первого.

10. В эмаль перед нанесением третьего слоя добавляется 1/3 часть от приготовленного разбавителя, третий слой наносится на зону интенсивного изнашивания.

11. В эмаль перед нанесением четвертого слоя добавляется 1/3 часть от приготовленного разбавителя, четвертый слой наносится на зону интенсивного изнашивания с перекрытием (5-7 см) третьего.

Разработанный технологический процесс внедрен в ремонтно-техническое предприятие ОАО «Сузунское РТП» Сузунского района Новосибирской области (рисунок 4.18).

При проведении эксплуатационной проверки по разработанной технологии были окрашены поверхности днища и шнека жаток зерноуборочных комбайнов, по которым перемещается зернорастительная масса. Износостойкость лакокрасочного покрытия определялась по наработке зерноуборочного комбайна в период проведения уборочных работ. При этом проводился периодический контроль толщины лакокрасочного покрытия в соответствии с ГОСТ 31993 (см. раздел 3.7.3). Испытания продолжались до появления металла (полного износа лакокрасочного покрытия) на участках максимального износа (в районе наклонной камеры). В результате выявлено следующее (таблица 4.3): лакокрасочное покрытие, полученное по разработанной технологии с применением системы «эпоксидный грунт (ЭП-057) – акриловая эмаль (АК-1301)», изнашивалось в местах максимального износа в среднем за наработку 1460 т. Испытания других применяемых систем лакокрасочных покрытий, представленные в разделе 4.1.3, показали, что наработка комбайна до полного износа лакокрасочного покрытия составляет: «эпоксидный грунт (ЭП-057) – акриловая эмаль (АК-1301)» - 720 т, «эпоксидный грунт (ЭП-057) – алкидная эмаль (МЛ-152)» - 550 т, «эпоксидный грунт (ЭП-057) – пентафталевая эмаль (ПФ-115)» - 330 т, «акриловый грунт (АК-070) – акриловая эмаль (АК-1301)» - 280 т, «акриловый грунт (АК-070) – алкидная эмаль (МЛ-152)» - 320 т, «акриловый грунт (АК-070) – пентафталевая эмаль (ПФ-115)» - 250 т. Также были получены значения интенсивности изнашивания для каждого лакокрасочного покрытия.