Введение к работе
Актуальность проблемы. Надежность машинно-тракторного и автомобильного парков агропромышленного комплекса Российской Федерации во многом определяется работоспособностью узлов трения современных конструкций дизельных двигателей, гидротрансмиссии, ходовой части, агрегатов масляной и гидросистем и т.д., в составе которых имеются многочисленные примеры высоконагруженных подшипников скольжения (ПС) типа «втулка» с ограниченным ресурсом, лимитирующим эксплуатационные возможности всего технического объекта. Повышение работоспособности узлов трения сельскохозяйственной техники является первостепенной задачей машиностроительного и ремонтного производств.
Одним из важных направлений повышения эффективности использования материальных и трудовых ресурсов является широкое применение полимерных материалов и композиций на их основе, исследование и совершенствование технологических процессов подготовки и нанесения антифрикционных износостойких покрытий. По данным ГОСНИТИ полимеры позволяют снизить трудоемкость ремонта машин на 20-30 %, себестоимость работ на 15-20 %, сократить расход черных и цветных металлов на 40-50 %.
Технологические службы предприятий, ремонтирующих и изготавливающих сельскохозяйственную технику и перерабатывающее оборудование АПК, с целью повышения долговечности изделий и экономии материалов заинтересованы в разработке новых технологических процессов, позволяющих эффективно восстанавливать изношенные и изготавливать новые детали с высоким ресурсом.
Использование в парах трения антифрикционных полимерных композиций позволяет получать несколько иные закономерности изнашивания - лучшие в триботехническом отношении. Нанесение тонкого полимерного покрытия на металлические поверхности влечет за собой изменение в определенной степени характера машиностроительного производства и технологии последующего ремонта, делая их более совершенными, эффективными, экономически выгодными.
В тоже время надо отметить, что непрерывный рост нагрузок, скоростей и температуры, усложнение условий эксплуатации узлов трения требуют постоянного улучшения свойств антифрикционных материалов (покрытий). Наряду с износостойкостью создаваемые покрытия должны обладать и высокой адгезией к подложке. Тем не менее, многолетний опыт применения полимерных композиций говорит о том, что положительные свойства полимерных покрытий ограничены недостаточно высокой адгезионной прочностью с основой (металлической деталью), резко сокращающей ресурс узла трения и машины в целом. Кроме того, в последнее время особое внимание уделяется исследованиям в области водородного изнашивания металлов, так как трение в присутствии водородосодержащего материала (масло, топливо, вода, полимеры) приводит к выделению водорода и локализации его в приповерхностном слое детали. Это ведет к диспергированию, а при пересыщении металла водородом (молизации атомарного водорода) - к разрушению поверхности с последующим переносом отделившихся частиц на менее прочную структуру.
В связи с вышесказанным необходима разработка методов по совершенствованию технологии формирования покрытий, в том числе электроискровой обработки на этапе подготовки металлической поверхности, а также создание полимерных покрытий, инициирующих режим избирательного переноса материалов при трении путем физической и химической модификации полимерной матрицы с участием наполнителей в виде наноразмерных порошков.
Цель работы. Повышение долговечности узлов трения скольжения машин при ремонте и изготовлении путем применения новых антифрикционных износостойких полимерных композиций на основе наполненных реактопластов с высокими триботехническими характеристиками и эффективных технологий их нанесения.
4 Задачи исследований:
-
Теоретически обосновать необходимый уровень адгезионной прочности покрытий путем электроискровой подготовки металлической поверхности.
-
Теоретически обосновать применение термореактивных смол, наполненных наноразмерными порошками (НРП) металлов и минералов, и сформированных в поле центробежных сил, для нанесения долговечных антифрикционных покрытий.
-
Теоретически обосновать возможность автокомпенсации износа и уменьшение вероятности водородного изнашивания стальной поверхности контртела путем формирования «сервовитных» пленок из состава полимерной композиции в результате избирательного переноса материалов при трении.
-
Исследовать влияние способов и режимов нанесения полимерных композиций на физико-механические и триботехнические характеристики получаемых покрытий.
-
Оптимизировать режимы нанесения и составы полимерных композиций с участием в качестве наполнителей НРП и химически-активных веществ (ХАВ) по критериям «адгезионная прочность», «прирабатываемость», «нагрузочная способность», «износостойкость», «задиростойкость», «механические потери и тепловыделение при трении».
-
Выполнить стендовые и эксплуатационные испытания.
-
Разработать усовершенствованные технологические процессы восстановления и изготовления деталей узлов трения скольжения путем нанесения полимерных композиций триботехнического назначения.
-
Внедрить результаты исследований в производство и определить их технико-экономическую эффективность.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются технологические процессы ремонта изношенных и изготовления новых деталей узлов трения скольжения сельскохозяйственной техники с использованием металлополимерных композиций, в частности, восстанавливаемые и изготавливаемые детали типа «втулка», «шестерня» (с посадкой скольжения по валу или оси) из состава конструкции двигателей внутреннего сгорания, узлов трансмиссии, ходовой части, масляных насосов, гидроцилиндров и др.
Предметом исследования являются количественные показатели физико-механических, триботехнических и эксплуатационных свойств деталей узлов трения, восстановленных (изготовленных) с применением антифрикционных износостойких полимерных композиций.
Методы исследования. Экспериментальные исследования проведены с применением теории планирования экспериментов, использованием методов математического и физического моделирования, современных приборов и оборудования, теории вероятностей и математической статистики с обработкой результатов на ПК.
Научная новизна. Теоретически обоснован необходимый уровень адгезионной прочности покрытий путем электроискровой обработки по слою бронзовых гранул на этапе подготовки металлической поверхности.
Исследовано влияние режимов поля центробежных сил на физико-механические, триботехнические и эксплуатационные характеристики получаемых покрытий.
Оптимизированы режимы нанесения и составы полимерных композиций с участием в качестве наполнителей НРП и ХАВ по основным технологическим, триботехническим и эксплуатационным критериям.
Теоретически обоснована эффективность избирательного переноса материалов при трении с целью автокомпенсации износа и уменьшения вероятности водородного изнашивания стальной поверхности контртела путем модификации термореактивных смол химически-активными добавками.
Практическая значимость работы. Разработаны составы и рекомендованы оптимальные технологические параметры процесса нанесения на детали типа «втулка», «шестерня» узлов трения скольжения антифрикционных износостойких покрытий на основе полимерных композиций, имеющих лучшие триботехнические характеристики и эксплуатационные показатели в сравнении с серийными подшипниковыми сплавами.
На основании выполненных исследований разработан комплексный
подход к решению проблем адгезионной прочности, автокомпенсации износа и уменьшения водородного износа, характерных для металлополимерных пар трения. Термореактивная полимерная матрица открыла для этого широкие возможности.
Для повышения долговечности покрытий, основанной в не малой степени на их адгезионной прочности с материалом детали, наряду с физической и химической модификацией композиции рекомендован ряд эффективных подготовительных операций, к числу которых отнесено электроискровое напекание пористого каркаса бронзовых гранул (локальное или сплошное) на поверхности изделия.
С целью предотвращения (снижения) водородного изнашивания (охрупчивания) сопряженной металлической поверхности применены технологически доступные и несложные в своей реализации явления избирательного переноса при трении и направленной поляризации контактирующих поверхностей.
Разработанные технологические процессы нанесения полимерных композиций на подшипники скольжения типа «втулка», «вкладыш», «шестерня», применимые как в ремонтном, так и в машиностроительном производствах, позволяют повысить ресурс узлов трения в 1,8...2,5 раза.
На защиту выносятся:
- результаты экспериментальных исследований по повышению адгезионной прочности и
деформационной стойкости формируемых покрытий;
результаты по совершенствованию процесса нанесения покрытий;
результаты оптимизации составов полимерных композиций с участием НРП и ХАВ;
результаты экспериментальных исследований физико-механических, триботехнических и эксплуатационных свойств деталей узлов трения, в том числе и в экстремальных условиях, восстановленных полимерными композициями в поле центробежных сил;
- новые способы и устройства для восстановления и изготовления подшипников
скольжения с использованием композиционных материалов, защищенные патентами
Российской Федерации;
- результаты лабораторных исследований, стендовых и эксплуатационных испытаний;
рекомендации по применению предлагаемых разработок в ремонтном и машиностроительном производствах;
- обоснование технико-экономической эффективности разработанных технологических
процессов в производственных условиях.
Реализация результатов исследований. Разработанные технологические процессы приняты к внедрению на ряде ремонтно-технических предприятий (с передачей соответствующей документации). В лабораториях ИГСХА организован и выпускает продукцию производственный участок по ремонту и изготовлению деталей узлов трения машин с использованием полимерных композиций. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе ИГСХА по курсам «Надежность и ремонт машин», «Технология ремонта машин», «Прогрессивные технологии восстановления деталей», «Триботехнические основы техники».
Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований представлены, обсуждены и одобрены на различных научных конференциях, совещаниях, семинарах, в том числе на: - научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников Ивановского СХИ, ФГОУ ВПО «Ивановская ГСХА им.ак.Д.К.Беляева», Ивановского НИИСХ, 1989...2010 гг.; - зональной научно-практической конференции специалистов сельского хозяйства «Актуальные проблемы науки в сельскохозяйственном производстве», г.Иваново, 1995 г.; -международной научно-практической конференции «Научные проблемы и перспективы развития ремонта, обслуживания машин и восстановления деталей», г.Москва, ГНУ ГОСНИТИ, 2003 г.; - 12-ой Международной научно-технической конференции «Информационная среда ВУЗа», г.Иваново, ФГОУ ВПО ИГАСА, 2005 г.; - 57-й Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе», ФГОУ ВПО «Костромская ГСХА», 2006 г.;
международной научно-технической конференции: секция «Совершенствование
технологии ремонта и повышение ресурса отремонтированной техники», г.Санкт-Петербург - Пушкин, ФГОУ ВПО С-ПГАУ, 2007 г.;- международной научно-технической конференции «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей», г.Москва, ГНУ ГОСНИТИ,2009г; - региональной научно-технической конференции «Материаловедение и надежность триботехнических систем»,г.Иваново, ГОУВПО ИГХТУ, 2009 г.;- технических советах ряда предприятий -Ивановское, Лежневское, Палехское, Родниковское, Шуйское, Тейковское РТП и МТС Ивановской области, Некрасовское РТП Ярославской области, АО «РИАТ» г.Иваново, АО «КОМЭКС» г.Шуя, АО «КРАНЭКС» г.Иваново, АО «Ивановоагропромтранс», ОАО «Иваново-Лада», ПО «РУСМОЛКОМ», АО «Ивэнергоремонт», ООО «РусАвто-Иваново», Группа компаний «АВТОКОМПЛЕКТСЕРВИС», ООО «АгроТехСервис», ООО «Производственное предприятие АЭРОТЕРМ», ООО «ГИДРАВЛИК» г.Иваново, Департамента сельского хозяйства и продовольствия Ивановской области в 1990...2010 гг.;- заседаниях кафедр «Эксплуатация и ремонт машин», «Надежность и ремонт машин», «Технический сервис» ИСХИ, ИГСХА, 1988...2010 гг.
Технологические процессы, установки и образцы деталей с покрытиями
экспонировались на 6-м Московском международном салоне инноваций и инвестиций
2006г. - автор работы награжден дипломом и бронзовой медалью; Ивановском
инновационном салоне 2004 г. (диплом и золотая медаль), Межрегиональном
экономическом форуме «Золотое кольцо-2007», 56-м Всемирном Салоне инноваций, научных исследований и новых технологий «INNOVA/ENERGY-2007» Брюссель-Бельгия (диплом и серебряная медаль).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 58 печатных работ, в том числе 8 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 4 патента на изобретения и полезные модели, 4 учебных пособия.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 377 страниц машинописного текста, в том числе 309 страниц основного текста, 100 рисунков, 13 таблиц, библиографию из 257 наименований.
