Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ..... ..........................;..... .';... .......л,
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИЖСЛЕДОВАНИЯ.......................
-
Анализ технического состояния изношенных деталей; выбранных для< проведения исследований. ......:
-
Способы восстановлениями упрочнения поверхностей изношенных
. деталей^ выбранных для:Проведения исследований.
-
МДО как способ восстановления и упрочнения рабочих поверхностей деталей.
-
Свойства покрытий, формируемых МДО, на:алюминиевых сплавах в анодно-катодном режиме
-
Технологические приёмы повышения долговечности подвижных-:
соединений-и деталей машин, упрочненных-МДО і .....
-
Особенности механизма избирательного переноса при трении
-
Выводы и задачи исследования-. ....
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ?
РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН, УПРОЧНЁННЫХ
МДО..
2.1 Теоретические предпосылки фрикционно-механического нанесения
медного слоя на поверхность покрытия, сформированного МДО
-
Коэффициент теплопроводности и удельная теплоемкость ОКСИДНОГО' покрытия, сформированного МДО;
-
Обоснование технологической схемы фрикционно-механического нанесения медного слоя на покрытие, сформированное МДО; .;.......
2.2 Определение времени начала разрушения оксидного покрытия;от
давления; создаваемого продуктами коррозии металлической
основы
2.3 Выводы.
3 ПРОГРАММА, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. ;.......
-
Программа научного исследования 88
-
Оборудование для формирования покрытий способом МДО 88
-
Оборудование для фрикционно-механического нанесения медного
слоя 92
-
Приготовление, контроль и оценка стабильности электролита при формировании покрытий 95
-
Измерение толщины покрытий 95
-
Определение твердости покрытий 97
-
Исследование топографии поверхности покрытия 101
-
Измерение толщины медного слоя 103
-
Определение шероховатости медного слоя 104
-
Оценка прочности сцепления медного слоя 106
-
Исследование сквозной пористости покрытий 108
-
Определение маслоемкости покрытий 109
-
Исследование нагрузочной способности соединений ПО
-
Сравнительные исследования износостойкости соединений 114
-
Испытания на коррозионную стойкость 117
-
Сравнительные ускоренные стендовые испытания шестеренных 118 насосов
-
Проведение эксплуатационных испытаний 121
-
Определение ошибки эксперимента и повторности опытов 122
3.19 Выводы 123
4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ 124
-
Пористость покрытия, сформированного МДО 124
-
Толщина и твёрдость покрытий 132
-
Стабильность электролита 134
-
Топография поверхности покрытия 136
-
Реализация технологической схемы фрикционно-механического нанесения медного слоя на поверхность покрытия, сформированного МДО 138
-
Толщина и шероховатость медного слоя, нанесённого на поверхность покрытия 142
-
Прочность сцепления медного слоя с поверхностью покрытия 152
-
Маслоемкость покрытий 154
-
Сравнительные испытания подвижных соединений 157
-
Нагрузочная способность 157
-
Износостойкость 159
-
Коррозионная стойкость покрытий 163
-
Сравнительные стендовые испытания шестеренных насосов 170
-
Эксплуатационные испытания 172
-
Выводы 174
5 ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ИХ ТЕХНИКО-
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ 178
5.1 Технологии повышения долговечности деталей машин восстановлением
и упрочнением рабочих поверхностей комбинированными методами 178
5.2 Экономическая эффективность от внедрения разработанных
комбинированных технологий 211
-
Расчеты по базовой технологии восстановления 211
-
Расчеты по новой технологии восстановления 216
-
Технико-экономические показатели расчета экономической
эффективности разработанных технологий 219
5.3 Выводы 220
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 223
ЛИТЕРАТУРА 227
ПРИЛОЖЕНИЯ 262
Введение к работе
Актуальность проблемы. В Доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации, которую утвердил Президент России ЗОянваря 2010 года указано на необходимость устойчивого развития отечественного производства продовольствия и сырья для обеспечения продовольственной независимости страны. Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и '' продовольствия на 2008-2012 годы (утверждена постановлением Правитель- ства Российской Федерации от 14 июля 2007 г. № 446) предусматривает инновационное развитие отрасли, ускоренный переход к использованию новых высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологий. В условиях старения машинно-тракторного парка, многократного удорожания машин и запасных частей, нехватки финансовых средств, проблема технического ос-нащения сельскохозяйственного производства не может быть решена только за счет увеличения поступления новой техники. Большая роль в этом отводится эффективному использованию имеющегося парка машин, постоянному поддержанию его готовности за счет технического обслуживания, а также развитию и совершенствованию технологических процессов их ремонта.
На современном этапе развития науки и техники для создания различных і конструкций машин и механизмов, а так же их ремонта требуется применять материалы, обладающие высокими физико-механическими свойствами, ко-торые способны противостоять изнашиванию при различных режимах рабо- і ты узлов трения и применяемых агрессивных сред. Для обеспечения работы подвижных соединений деталей машин используют различные смазочные материалы, позволяющие избегать при трении прямого контакта взаимодействующих поверхностей. Однако известно, что при эксплуатации 85...90% машин выходит из строя не из-за поломок деталей, а вследствие изнашивания их рабочих поверхностей. Для повышения их долговечности необходимо на изнашивающихся поверхностях создавать упрочненные слои с высокими физико-механическими свойствами. При этом для наружных поверхностей такие технологические методы разработаны более полно. А для внутренних, на долю которых приходится до 60% всех изнашивающихся поверхностей, в связи с их труднодоступностью для обработки, упрочняющих технологий, обеспечивающих длительную безизносную работу изделий, разработано недостаточно^, 16, 43, 200].
В настоящее время алюминий и его сплавы по объему производства и потребления занимают второе место в мире после стали. Бурное развитие потребления алюминия обусловлено его свойствами, среди которых в первую очередь следует назвать высокую прочность в сочетании с малой плотностью, удовлетворительную коррозионную стойкость и способность к формоизменению путем литья; давления и резания. Большое значение имеет возможность соединения деталей из алюминиевых сплавов в различные конструкции с помощью сварки, пайки, склеивания и других способов, а также способность к нанесению защитных и декоративных покрытий. Кроме того, алюминиевые сплавы немагнитны, отличаются отсутствием искрообразования, гладкостью поверхности и высокими отражательной способностью, морозостойкостью, хорошей тепло- и электропроводностью [1, 2, 3].
В сельскохозяйственном машиностроении за последние 10 лет применение алюминиевых сплавов увеличилось более чем в 3 раза [4, 43, 52, 282]. Это вызвано требованиями значительного повышения технического уровня машин путем реализации преимуществ этого металла перед такими традиционными материалами, как сталь и чугун. Применение алюминиевых сплавов для изготовления ненагруженных и малонагруженных элементов позволяет снизить их массу в 3 раза, а для несущих конструкций - в 1,5...2 раза [1, 4, 65, 282]. Уменьшение собственной массы сельскохозяйственной техники приводит к увеличению грузоподъемности, снижению расхода топлива, износа шин, давления на почву и других эксплуатационных расходов. Однако ужесточение условий эксплуатации техники и агрессивности применяемых технологических сред приводит к тому, что износостойкость и коррозионная стойкость рабочих поверхностей деталей из алюминиевых сплавов не позво-
7 ляет обеспечить требуемую долговечность.
Существующие способы восстановления и упрочнения таких деталей, как на стадии изготовления, так и при ремонте не лишены недостатков, существенно ограничивающих область применения того или иного способа. Одним из перспективных способов упрочнения рабочих поверхностей деталей, восстановленных или изготовленных из алюминиевых сплавов, в значительной мере лишённым многих недостатков и получающим в последнее время всё более широкое распространение, является микродуговое оксидирование (МДО). Большой вклад в его развитие и совершенствование внесли Басинюк В.Л., Батищев А.Н., Гордиенко П.С., Кузнецов Ю.А., Людин Б.Л., Малышев В.Н., Марков Г.А., Новиков А.Н., Снежко Л.А., Суминов И.В., Фёдоров В.А., Черненко В.И., Эпельфельд А.В. и ряд других учёных.
К основным преимуществам МДО относят: получение многофункциональных покрытий с высокими физико-механическими свойствами заданных состава, структуры и толщины, доступность химических реактивов, эколо-гичность процесса и отсутствие специальных очистных сооружений при использовании силикатно-щелочных электролитов. Сформированные покрытия обладают высокими прочностью сцепления с материалом основы, твёрдостью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, теплостойкостью и регулируемой пористостью. Причём применение МДО в комбинации со способами восстановления рабочих поверхностей позволит не только компенсировать любой износ, но и упрочнить внутренние цилиндрические и плоские рабочие поверхности деталей, изготовленных из алюминиевых сплавов, чугу-нов и сталей. Вместе с тем, при граничной смазке или взаимодействии без смазочного материала, которые возникают в периоды приработки, начала или окончания работы машины, а также при аварийных ситуациях, у покрытий, сформированных МДО, проявляются повышенные фрикционные свойства [13, 119]. Это приводит к тому, что деталь с покрытием вызывает значительный износ сопрягаемой с ней детали типа «вал» при их взаимодействии, за счёт чего происходит снижение износостойкости подвижного соединения
8 в целом. Механизм формирования покрытий способом МДО предопределяет наличие у них сквозной пористости, которая зависит от режимов оксидирования, концентрации компонентов и температуры электролита. [97, 169' 236, 249]. В< связи с тем, что упрочнённые слои химически инертны, именно сквозная пористость будет определять защитные свойства покрытия^при работе деталей в агрессивных средах. Кроме этого, в зоне фрикционного контакта взаимодействующих, поверхностей происходит значительное тепловыделение, в ряде случаев приводящее к разрушению покрытия из-за локализованного нагрева в зонах сквозных пор и изменения прочностных свойств его металлической основы.
Уменьшение сквозной пористости покрытий возможно осуществить за счёт изменения режимов МДО, состава и температуры электролита [92, 97]. Снижения фрикционных свойств покрытий можно добиться за счёт нанесения на их поверхность слоев технически чистой меди или наполнения* пор упрочнённого слоя маслом, которые при граничной смазке или взаимодействии подвижных соединений без смазочного материала будут выступать,в качестве твёрдой или жидкой смазки, соответственно [101, 104, 105, 178]. Нанесение медного слоя возможно производить за счет использования явления избирательного переноса (ИП). ИП - это образование в зоне трения; происходящего в смазочной среде, тонкой медной пленки с низким сопротивлением сдвигу и получения практически безизносных подвижных соединений деталей машин. Вопрос о снижении износа деталей машин при трении рассматривали в своих работах Гаркунов Д.Н., Крагельский И.В., Радин Ю.А., Суслов П.Г., Поляков А.А., Ахматов А.С., Костецкий Б.И., зарубежные ученые Боуден Ф., Тайбор Д. и многие другие. Однако, в научной литературе применительно к рабочим поверхностям деталей, упрочненным МДО, практически отсутствуют теоретические основы и технологические рекомендации по данной тематике. Поэтому их разработка позволит существенно повысить износостойкость подвижных соединений и коррозионную стойкость рабочих поверхностей деталей машин с такими покрытиями.
В связи с этим снижение изнашивания и, как следствие, повышение долговечности деталей машин является одной из важных и актуальных научных проблем-как для предприятий, изготавливающих, так и эксплуатирующих сельскохозяйственную технику. Многократное увеличение стоимости запасных частей и их невысокое качество также стимулируют работы в этом направлении.
Цель работы заключается в разработке технологий восстановления с упрочнением и повышения износостойкости рабочих поверхностей деталей машин за счёт нанесения медного слоя на покрытие, сформированное МДО, или наполнения, его маслом и коррозионной стойкости, путем снижения сквозной пористости упрочнённого слоя.
Объектом исследования являются комбинированные технологии, включающие в себя восстановление рабочих поверхностей, МДО, как упрочняющую обработку, и технологические приемы, позволяющие повысить долговечность подвижных соединений и деталей машин с оксидными покрытиями.
Предметом исследования являются эксплуатационные свойства восстанавливаемых и упрочненных МДО подвижных соединений и деталей машин с модифицированными и коррозионостойкими оксидными покрытиями. В частности, восстанавливаемые рабочие поверхности деталей, изготовленных из алюминиевых сплавов и чугунов: поджимные и подшипниковые обоймы, втулки и корпуса шестеренных насосов, крышки распределительных шестерен двигателей, опоры граблин жаток для уборки трав кормоуборочных комбайнов и другие.
Методы исследования. Экспериментальные исследования проводили с использованием известных, отработанных методов и современных приборов и оборудования, теории вероятности и математической статистики.
Научная новизна работы состоит: - в установлении рациональных состава электролита и режимов МДО, позволяющих получать на восстановленных рабочих поверхностях деталей оптимальные твёрдость, толщину и пористость упрочненного слоя для даль-
10 нейшего наполнения покрытия маслом, нанесения на него медного слоя или использования в качестве защиты от коррозии; в обосновании технологической схемы и режимов нанесения фрикци-онно-механическим способом медного слоя на покрытие, сформированное МДО; в выявлении связи между скоростью коррозии металлической основы и твёрдостью, толщиной и пористостью упрочненного слоя, позволяющей прогнозировать работу защитного покрытия до предельного состояния.
Практическая ценность работы заключается в разработке комбинированных технологий восстановления изношенных рабочих поверхностей деталей машин с последующим упрочнением МДО и нанесением на покрытие медного слоя или наполнением его маслом, а также получением упрочненного слоя с минимальной пористостью. Технологии апробированы на примере восстановления посадочных отверстий опор граблин жаток для уборки трав кормоуборочных комбайнов КСК-100 и КПКУ-75, поджимных и подшипниковых обойм шестеренных насосов НШ-50-2, втулок и корпусов шестеренных насосов НШ-32У-2, поверхностей под крыльчатку водяного насоса крышек распределительных шестерён двигателей ЗМЗ-53.
Материалы исследований использовались при создании научно-технической продукции по договору №195/2004 с ОАО «Агрофирма-Мценская» Орловской области.
Реализация результатов исследований. Результаты работы реализованы в пяти руководящих документах, подготовленных совместно с ГНУ ГОСНИТИ, и утвержденных Минсельхозом РФ. Разработанные технологические процессы восстановления, упрочнения и модифицирования поджимных подшипниковых обойм шестеренных насосов НШ-50-2, втулок и корпусов шестеренных насосов НШ-32У-2, поверхностей под крыльчатку водяного насоса крышек распределительных шестерен двигателей ЗМЗ-53, посадочных отверстий опор граблин жаток для уборки трав кормоуборочных комбайнов КСК-100 и КПКУ-75 и ряда других деталей, обработанных по предлагаемым технологиям; приняты к внедрению на шести предприятиях г. Орла и Орловской области. Результаты исследований используются в; учебном процессе ФГОУ ВПО Орел ГАУ и при переподготовке руководящих и инженерных кадров АПК в Орловской области. Они отражены в учебном пособии для вузов, допущенныМ'Министерством сельского хозяйства РФ, и 2ьмонографиях. Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на: международных научно-технических и научно-практических конференциях (Орел, ОрелГАУ, 2000, 2002, 2008, 2009, 2010; Новополоцк, ПГУ, 2001, 2003; Ялта, ATM Украины, 2002, 2003; Кишинев, Молдавский агроуниверси-тет, 2002, 2003; Тула, ТГУ, 2002; Пенза, ПГУ, 2003; Брянск, БГСХА, 2003-2005; Гагры, 2004, 2005; Одесса, ОНМУ, 2010; С.-Петербург, С.-И.ГАУ, 2005; Москва, МГАУ, 2000, 2004; ГОСНИТИ, 2009,2010);
Всероссийских научно-практических конференциях (Пенза, ПГУ, 2000, 2001); межвузовских конференциях (Москва, РГАЗУ, 2000, 2001, 2007); семинаре по восстановлению и упрочнению деталей (Москва, ВНИИ-ТУВИД «Ремдеталь», 2003); заседаниях кафедры надежность и ремонт машин им. И.С. Левитского ФГОУ ВПО РГАЗУ в 2009, 2010 г.г.
Публикации. Основное содержание выполненных исследований отражено в 92 печатных работах, в том числе 14 патентах на изобретение и свыше 20 статей в центральных научных журналах, рекомендованных ВАК РФ. На защиту выносятся следующие основные положения: теоретическое обоснование технологической схемы и результаты экспериментальных исследований влияния режимов фрикционно-механического нанесения медного слоя на его толщину, шероховатость и прочность сцепления; теоретическое определение и экспериментальное подтверждение времени начала разрушения покрытия под давлением продуктов коррозии ме- "12. . . таллической* основы, возникающей в результате воздействия: агрессивной, среды,, которая проникает через сквозныепоры покрытия; результаты, экспериментальных исследований'изменения?эксплуатационных, свойств: нагрузочной способности и износостойкости подвижных соединений; с покрытиями, сформированными МДО; различной пористости с нанесённым медным слоем или наполненных: маслом;, а- также; коррозионной стойкости деталей; новые способы восстановления с упрочнением МДО и модифицированием упрочняющих покрытий рабочих поверхностей деталей, а также; устройства для их осуществления, защищенные патентами Российской Федерации на изобретения; разработанные: комбинированные технологии? восстановления с последующим упрочнением МДО и?нанесением медного.слоя или.наполнениемі покрытий маслом, обеспечивающие повышение износостойкости подвижных соединений деталей машин, а также позволяющие получать высокую<коррозионную стойкость изделий, и результаты их апробации; . '. практические рекомендации по применению предлагаемых технологий и разработок в ремонтном производстве и их технико-экономическая* оценка.,
Работа выполнялась на кафедре «Надёжность и ремонт машин» ФЕОУ ВП0 Орел ГАУ. Автор выражает признательность своим ученикам: Титову Н.В., Чернышеву H.G. и Логачёву В.Н. за совместную научную работу над этой проблемой, а также Басинюку В Л., Кукареко В.А. и Мардосевич Е.И; за помощь в проведении исследований. Отдельная благодарность профессорам
Юдину В.М., Лялякину В.П. и [Батищеву А.Н.| за оказание консультаций при выполнении данной работы.
