Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время обеспечение достаточной надёжности оборудования механизмов дноуглубительной техники, а именно судов технического флота представляет собой проблему государственной важности. Можно предполагать, что невысокая надёжность судов технического флота, в частности интенсивный износ деталей черпаковой цепи земмашин и деталей грунтовых насосов земснарядов, окажется серьёзным препятствием по дноуглублению судоходных рек.
Очевидно, что дноуглубительные работы могут выполняться только техническим флотом, т.е. установками, оснащенными грунтозаборными устройствами и средствами перемещения грунта или гидротранспорта неоднородной среды (пульпы) в места складывания. Для разработки плотных грунтов будут использоваться многочерпаковые земмашины, а для работы на песчаных грунтах – землесосные снаряды (землесосы). Общим для земмашин и землесосов является низкая надёжность рабочих устройств (РУ), в значительной степени определяющих их работоспособность и эффективность эксплуатации земснарядов в целом.
Опыт показывает, что такими рабочими устройствами являются детали шарнирного соединения черпаков на земмашинах и детали грунтовых насосов на земснарядах. При этом наибольшему износу подвергаются черпаковые пальцы и рабочие колёса насосов.
Цель работы. Основной целевой установкой диссертации является –повышение надёжности быстроизнашивающихся деталей судовых технических средств (грунтовых насосов землесосных снарядов и черпаковых цепей многочерпаковых земмашин), в наибольшей степени определяющих эффективность их эксплуатации при воздействии гидроабразивных сред, например, при выполнении дноуглубительных работ.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: 1. Выявление условий (причин) возникновения эрозии рабочих устройств земснарядов и анализ характера изнашивания ведущих деталей.
2. Выбор лабораторных стендов, адекватно отражающих реальные условия работы черпаковой цепи земмашин и грунтовых насосов землесосных снарядов и особенности изнашивания ведущих деталей.
3. Разработка схемы оптимизации условий работы землесосов за счёт согласования гидравлических и геометрических характеристик насосов с учетом вихреобразования в рабочих колёсах и эрозионной стойкости изнашиваемых материалов.
4. Выявление основных причин низкой надёжности деталей шарнирного соединения черпаковой цепи земмашин и способов повышения их работоспособности: химико-термической обработкой, заменой аустенитной стали 110Г13 на легированные конструкционные с упрочняющей термообработкой, заменой кованых черпаковых пальцев на литые.
Объектом исследования диссертации являются суда технического флота и их элементы (детали шарнирного соединения черпаковой цепи и грунтовых насосов, черпаки, барабаны, роульсы, разрыхлительные устройства, пульпопроводы).
Предметом исследования диссертации являются рабочие устройства судов технического флота, методы повышения их долговечности и обеспечение необходимого уровня надёжности.
Методы исследований. Применительно к условиям эксплуатации земснарядов и проблематике диссертации использован комплекс базовых и оригинальных методов исследований. При моделировании особенностей воздействия жидких гидроабразивных сред на поверхность деталей применялся структурно-энергетический подход.
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов, содержащихся в диссертации, подтверждается результатами экспериментов, выполненных на лабораторных установках и на действующих земснарядах, а также удовлетворительной сходимостью расчетной износостойкости и долговечности ведущих деталей грунтовых насосов землесосов и многочерпаковых земснарядов (рабочих колёс и черпаковых пальцев соответственно) с показателями их надёжности в условиях эксплуатации.
На защиту выносятся:
– технологический процесс электролизного борирования черпаковых пальцев земснарядов и результаты оценки их надёжности на стендах и в натурных условиях;
– метод оценки надёжности материалов и покрытий по энергетическому критерию;
– зависимости эрозии деталей от совокупности характеристик неоднородных гидроабразивных сред, геометрии деталей, рабочих параметров механизмов и от комплексного энергетического критерия;
– структурно-энергетические модели надёжности быстроизнашивающихся деталей и рабочих устройств земснарядов.
Научная новизна работы. В результате использования структурно-энергетического подхода получены:
1. Модели надёжности компактных материалов, наплавок и покрытий, наиболее полно учитывающие условия нагружения деталей.
2. Рабочие характеристики механизмов и прочностные пластические свойства изнашиваемых объёмов деталей, представленных энергетическим критерием при абразивной и кавитационной эрозии.
Разработанные структурно-энергетические модели позволяют оценить влияние на эрозионную стойкость деталей не только структуры материалов и покрытий на различных масштабных уровнях внешнего воздействия, но и структурные особенности неоднородных жидких сред, например, интенсивность вихреобразования и размеры вихрей, вызывающих интенсивное местное изнашивание.
Практическую ценность в работе представляют:
– опытные данные по относительной износостойкости широкого круга материалов, наплавок и покрытий при различных видах эрозии в неоднородных средах;
– результаты оптимизации технологии поверхностного электролизного борирования черпаковых пальцев из углеродистой стали и данные по оценке работоспособности крупной серии пальцев после химико-термической обработки в условиях эксплуатации;
– соотношения для пересчёта относительной износостойкости материалов при одном виде изнашивания на другой, например, по известному ряду износостойкости материалов при гидроабразивной эрозии: формулы для построения рядов стойкости этих материалов при ударно-абразивном изнашивании, гидроэрозии и коррозии;
– разработанный расчётный метод оценки надёжности материалов и покрытий по их энергоёмкости при различных разновидностях эрозии.
Реализация результатов работы. Исследование работоспособности и внедрение в производство модернизированных рабочих устройств земснарядов выполнялось в различные периоды времени на земснарядах Волжского ОРП'а, Ленинградского речного порта и морской пристани, треста «Севзапморгидрострой», на з/с: ГДУ-1, «Северо-Западный-16», «Волжский-36», «Литер-Д», «Московский-2» и на других объектах.
Методика расчета долговечности деталей грунтовых насосов путём согласования геометрии быстроизнашивающихся деталей и рабочих характеристик грунтонасосных установок внедрена в учебный процесс СПГУВК в виде курсовой работы, выполняемой студентами механической специальности в процессе освоения дисциплины Надёжность судового оборудования.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Республиканских, городских и расширенных вузовских научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и научных работников СПГУВК; на 9 и 10 Международных научных конференциях «Трибология и надёжность – 2009 и 2010» (СПб, ПГУПС); на 4-ом Международном симпозиуме «Транстрибо - 2010» (СПб, ПГТУ); на 12-ой Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта оборудования» (СПб, ПГТУ, «Плазмацентр - 2010»).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 17 печатных работах, из которых 4 соответствуют списку ВАК РФ.
Структура и объёмы работы. Диссертация представлена в форме рукописи, состоящей из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных литературных источников из 43 наименований. Материал изложен на 136 страницах машинописного текста, включающего 43 рисунка и 20 таблиц.
