автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Восстановление валов роторов турбокомпрессоров дизелей лесных машин и передвижных электростанций

ху

На правах рукописи

МИХАЛИН Павел Александрович

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ВАЛОВ РОТОРОВ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ ДИЗЕЛЕЙ ЛЕСНЫХ МАШИН И ПЕРЕДВИЖНЫХ ЭЛЕТРОСТАНЦИЙ

Специальность 05.21.01 - технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 0 ЯНВ 2011

Москва-2010

004619265

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса»

Научный руководитель: доктор технических наук, ст. науч. сотр.

СИРОТОВ Александр Владиславович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ПИТУХИН Александр Васильевич кандидат технических наук, доцент МАКУЕВ Валентин Анатольевич

Ведущая организация - Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Защита диссертации состоится 14 января 2011 г., в 10-00 часов на заседании диссертационного совета при ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса» по адресу: 141005, г. Мытищи-5, Московская обл., 1-я Институтская ул., дом 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса»

Автореферат разослан « » декабря 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор ! —> Б.М. Рыбин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На современном этапе экономического развития Российской Федерации встают вопросы проектирования, производства и эффективной эксплуатации существующих машин и оборудования.

Повышение эффективности эксплуатации имеющегося парка машин может быть достигнуто увеличением коэффициента использования оборудования, снижением расходов на его эксплуатацию и уменьшением времени простоев по техническим причинам.

Парк лесозаготовительной, лесотранспортной техники, а также передвижных дизельных электростанций, используемых в лесном комплексе, в настоящее время характеризуется ускорением его морального и материального износа. При этом увеличивается интенсивность отказов машин и продолжительность простоев, связанных с восстановлением их работоспособности, растут затраты на проведение неплановых работ по техническому обслуживанию и ремонту (ТО и Р).

Основным силовым агрегатом практически любых машин, используемых на лесозаготовках, является дизель. Проведенный анализ показал, что наименее надежным узлом дизеля (особенно в условиях лесозаготовок) является турбокомпрессор (ТКР). На его долю приходится более 15% отказов двигателя. В свою очередь более 80% отказов ТКР приходится на подшипниковый узел вала ротора.

Сложность ремонта турбокомпрессоров лесозаготовительной техники состоит в том, что делянки, где эксплуатируется техника, удалены от ремонтно-обслуживающих баз. Для уменьшения простоев лесных машин по техническим причинам необходимо увеличить наработку турбокомпрессора до величины установленной нормативно технической документацией на ТО и Р двигателя.

Анализ путей повышения работоспособности фрикционных соединений показывает, что наиболее перспективным, для ремонта подшипникового узла турбокомпрессора, является восстановление посадочной поверхности вала ротора турбокомпрессора при помощи материалов, которые снижают нагрузку на узел.

Цель работы: повышение надежности турбокомпрессоров дизелей лесных машин и передвижных электростанций за счет увеличения срока службы вала ротора.

Объектом исследований: являются турбокомпрессоры дизелей лесных машин и передвижных электростанций.

Предмет исследований:

-техническое состояние подшипникового узла турбокомпрессора, свойства покрытий нанесенных на валы роторов методом газодинамического напыления

Научная новизна диссертационной работы:

- предложен способ восстановления вала ротора ТКР дизелей лесных машин газодинамическим напылением который увеличивает ресурс турбокомпрессора до наработки, установленной нормативно технической документацией на капитальный ремонт двигателя.

- предложена методика стендовых испытаний турбокомпрессоров, новизна которой подтверзвдена патентом РФ на полезную модель № 89617 «Стенд для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания»;

Практическая значимость. Разработаны рекомендации по технологии ремонта турбокомпрессоров дизелей лесных машин А - 01 МЛ; СМД -18.01; ЯМЗ 238.

Реализация результатов исследований. Технологические рекомендации по ремонту турбокомпрессоров дизелей электростанций и лесных машин внедрены в ремонтно-механических мастерских Киржачского и Кольчугинского ЛП филиала ГУЛ ВО Владлеспром Владимирской области; в предприятии по ремонту турбокомпрессоров ООО «Сервис - Турбо» г. Серпухов, а также в учебном процессе ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждены и одобрены на научно-технических и практических конференциях и симпозиумах, в том числе международных, в частности:

- Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы развития лесопромышленного комплекса», (г. Вологда, 2006,2007,2008,2009,2010г.);

-научно-технических конференциях ГОУ ВПО Московского государственного университета леса по итогам работы для научно преподавательского состава и аспирантов (г. Мытищи, 2007 - 2010 гг.);

-Международном симпозиуме «Надежность и качество 2007», г. Пенза;

- Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию Левицкого И.С., РГАЗУ, г. Балашиха, 2007 г.

-научно-технической конференции «Организация и развитие информационного обеспечения органов управления, научных и образовательных учреждений АПК» «Информ Агро-2009»;

- Выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ - 2010 г. Москва 29 июня - 2 июля ВВЦ

-Совместном заседании кафедр: «Электроэнергетики лесных комплексов», «Транспорта леса», «Технологии и оборудования лесопромышленного производства», «Колесных и гусеничных машин», «Материаловедения и технологии конструкционных материалов» МГУЛ (июнь 2010 г.)

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в четырех статьях (две статьи в издании, рекомендованном ВАК) и одном патенте РФ на полезную модель.

Основные положения, выносимые на защиту:

- теоретическое обоснование выбора материала напыления для восстановления валов роторов турбокомпрессоров дизелей лесных машин и передвижных электростанций;

- результаты анализа отказов валов роторов турбокомпрессоров дизелей лесных машин и передвижных электростанций;

- технология восстановления валов роторов турбокомпрессоров дизелей лесных машин и передвижных электростанций методом газодинамического напыления;

- методика стендовых испытаний турбокомпрессоров, прошедших капитальный ремонт на стенде собственной разработки, для приемосдаточных испытаний (патент РФ на полезную модель № 89617 «Стенд для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания»);

- результаты анализа свойств покрытий вала ротора после его восстановления методом газодинамического напыления;

Структура и объем диссертации:

Работа содержит 167 машинописных страниц текста, в том числе 20 таблиц, 56 рисунков. Библиографический список использованных источников содержит 117 наименований. Приложения включают 12 страниц материалов в виде научно-технической документации и актов внедрения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследования» показано, что существенной причиной резкого спада лесозаготовительного производства является низкий технический уровень отдельных производственных операций, физический и моральный износ лесозаготовительной и лесотранспортной техники. В настоящее время на лесосечных, лесотранспортных и нижнескладских работах эксплуатируется техника, поставленная на серийное производство более сорока лет назад. Кроме того, объем выпуска лесных машин уменьшился в несколько раз, а производство некоторых типов машин прекратилось.

Большой объем работ по организации и совершенствованию технического уровня эксплуатации лесных машин и ремонтных работ в отрасли провели ученые и специалисты таких организаций, как ЦНИИМЭ, СПКТБ «Союзлесреммаш» (ГНЦЛПК), МГУЛ, BJITA и другие. В их числе В .В. Балихин, В.В. Быков, И.В. Воскобойников, В.Н. Винокуров, В .А. Гоберман, Н.С. Еремеев, В.М. Котиков, A.B. Серов и другие.

Для повышения полезной мощности двигателей внутреннего сгорания в настоящее время наиболее эффективным является установка турбокомпрессора. Турбокомпрессор на 30 % повышает мощность двигателя, при этом не увеличивает его рабочий объем.

Турбокомпрессор является также наименее надежным агрегатом дизельного двигателя. Более 60% отказов приходятся на турбокомпрессор. В таблице 1 представлена доля отказов на примере коэффициента повторяемости основных элементов турбокомпрессора. Из табл. 1 следует, что наименее надежным узлом турбокомпрессора является пара трения «вал ротора - подшипник скольжения». Около 81% отказов по турбокомпрессору приходится на него.

Самым дорогостоящим элементом турбокомпрессора, приводящим к отказу работы, является вал ротора. Он изготовлен из стали 40 и к нему приварено турбинное колесо, которое выполнено из жаропрочного и легкого алюминиевого сплава. Поэтому экономически не выгодно выбраковывать вал ротора с исправным турбинным колесом, но изношенной поверхностью под подшипник скольжения.

Наименование де- Отказ Коэффициент

тали (узла в сборе) повторяемости

Средний корпус с 1.Износ поверхности вала под 0,81

валом ротора и подшипник

подшипниковым 2.Износ канавок под уплотнитель- 0,38

узлом в сборе ные кольца.

3.Изгиб вала. 0,20

4. Прогоревшие лопатки. 0,31

5. Загиб лопаток. 0,18

6. Износ отверстий под фиксатор. 0,38

7. Износ отверстий под вал ротора. 0,69

8. Износ наружной поверхности. 0,27

Корпус компрес- 1. Трещины и обломы. 0,20

сора 2. Повреждение резьбы. 0,24

Корпус турбины с 1 .Трещины и обломы. 0,16

турбинным коле- 2.Повреждение резьбы. 0,17

сом 3. Загиб лопаток. 0,09

Для ремонта вала ротора используются устаревшие и дорогостоящие методы. Данные методы не обеспечивают необходимую долговечность и необходимо производить повторные ремонты, либо выбраковывать вал.

Для повышения качества ремонта и увеличения срока службы турбокомпрессоров, прошедших капитальный ремонт необходимо разработать технологию восстановления, при которой обеспечивается, долговечность и

безотказность работы агрегата на период до капитального ремонта дизельного двигателя, на котором этот турбокомпрессор установлен.

Одним из перспективных способов восстановления первоначального ресурса двигателей является газодинамическое напыление, однако практическое применение для восстановления гладких цилиндрических поверхностей на примере вала ротора турбокомпрессора данный метод не получил. Поэтому целью настоящей работы является теоретическое обоснование повышения суммарной износостойкости узла «вал ротора - подшипник скольжения» и разработка способа восстановления поверхности вала ротора, при котором увеличится наработка турбокомпрессора до капитального ремонта двигателя.

В соответствии с поставленной целью определены следующие основные задачи:

1. Теоретически обосновать возможность уменьшения интенсивности взаимного износа деталей ТКР и способ восстановления пары трения «вал ротора - подшипник скольжения».

2. Разработать технологический процесс и провести восстановление валов ротора турбокомпрессоров газодинамическим напылением.

3. Исследовать на износостойкость покрытия валов турбокомпрессоров, полученные методом газодинамического напыления.

4. Провести сравнительные испытания турбокомпрессоров с валами, восстановленными газодинамическим напылением и валами, восстановленными по ранее использовавшейся технологии.

5. Внедрить технологический процесс восстановления валов роторов турбокомпрессоров лесных машин газодинамическим напылением на ремонтных предприятиях лесного комплекса и провести эксплуатационные испытания отремонтированной техники в условиях леспромхозов.

В главе 2 «Теоретические предпосылки повышения износостойкости подшипникового узла турбокомпрессора» дан анализ факторов, которые влияют на износ и разрушение подшипникового узла турбокомпрессора. Для этого была изучена структура фрикционного контакта и модель трения в данном узле. Проблемами трения занимались также выдающиеся известные Российские ученые Н.М. Алексеев, Э.Д. Браун, И.А. Буя-новский, H.A. Буше, В.Э. Вайнштейн, И.Г. Горячева, М.Н. Добычин, В .Я. Кершенбаум, И.В. Крагельский, P.M. Матвеевский, Н.М. Михнин, A.B. Чичинадзе, а также зарубежные ученые Ф.Г. Бирвелл, Р.Дж. Бензгенн, Р. Боуденн, Д. Табор и др.

Пара трения «вал ротора - подшипник скольжения» как и большинство трущихся сопряжений (шарнирные соединения, зубчатые передачи и др.) лесозаготовительной и лесотранспортной техники подвергается изнашиванию. Износа происходит из-за недостаточной герметичности узлов трения, а также ненадлежащего качества смазывающего материала. При уменьшении скорости скольжения, увеличении нагрузки и температуры

подшипникового узла возникает режим полужидкостного трения. При таком режиме трения появляются частицы абразива, как и при недостатке смазывающего материала.

В расчетном виде схема подшипника скольжения представляет собой сопряжение двух цилиндрических тел (рис. 1), радиусы которых мало отличаются друг от друга (/?! > Яг и (Дх - й2)/йг « !)■ Так же на данное сопряжение действуют различные силы, которые влияют на значение величины интенсивности изнашивания.

Рис. 1 Расчетная схема подшипника скольжения вала ротора турбокомпрессора а) вид спереди б) вид сбоку

Поскольку мы не меняем конструкцию узла и условия эксплуатации то, нагрузка, скорость скольжения, температура, а также окружающая среда и другие внешние условия остаются неизменными. При восстановлении газодинамическим напылением изменяются в основном триботехнические свойства материалов сопрягаемых деталей.

Технико-экономический анализ показал, что для наших условий наиболее подходящими порошками для напыления на поверхность вала ротора турбокомпрессора будут порошки марок: N-00-14 и С-01-11. Можно получить предельно допустимую интенсивность изнашивания, при которой периодичность ремонта турбокомпрессора будет увеличена до наработки до планового ТО и Р двигателя в целом.

Тг=^ (1)

где: Тг - время работы машины до проведения ремонта, ч.;

- предельный допустимый износ посадочной поверхности на валу ротора под подшипник скольжения, мм; (определяемый НТД); 1 - интенсивность изнашивания, мм/ч.

Таким образом можно получить предельную допустимую интенсивность изнашивания, при которой периодичность ремонт турбокомпрессора будет увеличена до периодичности ТО и Р двигателя в целом.

/пр = 160*10-7 (2) Взаимная интенсивность изнашивания материалов при взаимодействии в условиях трения в подшипниковом узле турбокомпрессора, является степенной функцией давления;

1 = КЧт, (3)

где: К и т - параметры степенного закона изнашивания (т » 1);

ц - давление на контакте Па В свою очередь давление на контакте состоит из геометрических параметров и триботехнических свойств материала;

I боР

^ ~ л]тг(1+е0)19(К2 ' ^ где: I - длина подшипника скольжения, м

Я2 - радиус вала ротора турбокомпрессора, м Параметр тЭ введен для учета тонкости нанесенного покрытия и представляет собой отношение коэффициента Пуассона к модулю упругости покрытий:

Я =1=^ + 1^1, (5)

где: цги ц2 - коэффициенты Пуассона для подшипника скольжения и вала ротора соответственно;

Ег и Е2 - модули упругости подшипника скольжения и вала

ротора, Па

Окончательная формула интенсивности изнашивания будет выглядеть следующим образом:

I = К

£оР_

2 • (о)

N

Нами были проведены расчеты интенсивности износа различных выбранных покрытий пары трения «вал ротора - подшипник скольжения» которые составили:

/„ = 0,9

-1,1

0,1X20

1 =09

'НИК

ЗД415х(1+0Д)(^

-0,32| 1-0,28^ ^

/„ = 173,2

20,6 * ю-7

012X0,01

мм/ч;

\

-1Д

0,1X20

ЗД415Х(1+0,1)(^+^)0,

012X0,01

/ник = 171,6 * 10"7 мм/ч;

1медь

0,9

N

-1д

0,1X20

3,1415(1+0,012X0,01

(7)

(8)

(9)

/мед = 157,8 мм/ч.

Расчеты показали, что предельная величина интенсивности износа может быть достигнута при использовании медно-цинкового покрытия марки С-01-11, при восстановлении валов роторов турбокомпрессоров газодинамическим напылением.

В главе 3 «Программа и методика исследований» создана программа и описана методика лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний.

Для определения коэффициента трения и оценки интенсивности изнашивания проводился комплекс лабораторных испытаний, включающий в себя проверку свойств поверхности (твердость, шероховатость) и испытания на интенсивность изнашивания на машине трения.

Для проведения стендовых испытаний был разработан стенд для приемо-сдаточных испытаний турбокомпрессоров, прошедших капитальный ремонт (рис. 2). На данное изобретение получен патент РФ на полезную модель № 89617 «Стенд для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания».

Рис. 2. Стенд для испытаний турбокомпрессоров

Для проведения исследований турбокомпрессоры снимались с дизелей, которые эксплуатировались в лесхозах и леспромхозах Владимирской области. Далее турбокомпрессоры проходили процедуру восстановления по предлагаемой технологии. Отремонтированные турбокомпрессоры ис-пытывались на стенде собственной разработки, по предложенной нами новой методике. Для прохождения эксплуатационных испытаний, турбокомпрессоры были установлены на трактора, эксплуатируемые в Киржач-ском и Кольчугинском ЛП - Филиала ГУП ВО «Владлеспром».

В главе 4 «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» дан анализ результатов проведенных лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний турбокомпрессоров, прошедших капитальный ремонт по технологии газодинамического напыления.

Износостойкость покрытия является важнейшим критерием оценки ресурса сопряжению подверженному воздействию силы трения. На его значение большое влияние оказывают физико-механические свойства покрытий, состояние шероховатости и микротвердость поверхностного слоя сопряжения, а также коэффициент трения и усилие нагружения действующее на сопряжение.

При проведении замеров шероховатости покрытия было выявлено, что после проведения испытаний у восстановленного вала ротора с покрытием порошком С-01-11 параметр шероховатости по Яа составил 0,235мкр,

что значительно меньше, чем у других испытуемых образцов. Уменьшение значения шероховатости поверхности существенно снижает интенсивность изнашивания. Во время проведения стендовых испытаний, турбокомпрессор разбирался с периодичностью в 100 мото-ч. Значение параметра шероховатости с увеличением наработки не изменялось.

Во время триботехнических лабораторных испытаний на машине трения ИИ - 5018, производились замеры различных параметров при имитации различных видов работы двигателя. На рис. 3 показана зависимость изменения коэффициента трения у испытуемых материалов под воздействием имит£овашяда^ _

I 0,18 f 0,16 0,14 0,12 ОД 0,08 0,06 0,04 0,02 0

"fr" сталь -В-никель

200

400

600

800

1000

1200 Р,Н

1400

Рисунок 3 Зависимость изменения коэффициента трения от силы, действующей на сопряжение

Из представленной зависимости следует, что вал ротора турбокомпрессора с покрытием из медно-цинкового порошка марки С-01-11 обладает меньшим коэффициентом трения, чем стандартный вал, изготовленный из стали или вал, имеющий никелевое покрытие N-00-14. Это обуславливается тем, что изначально базовый коэффициент трения у меди ниже, чем у никеля и тем более стали.

После сравнительной оценки взаимной интенсивности изнашивания пар вращения были выявлены зависимости изменения интенсивности изнашивания. На рисунке 4 показана суммарная интенсивность изнашивания образцов после проведения испытаний на износостойкость на машине трения ИИ - 5018. В табл. 2 представлена интенсивность изнашивания ролика имитирующего вал ротора и колодки, которая имитирует подшипник скольжения при испытании на машине трения.

1.40Е-10 тч.

~ I

1.20Е-10 -}»

1.00Е-10

8,оое-и

6.00Е-11 4.00Е-11 2.00Е-11 О.ООЕ+ОО

Рисунок 4 Суммарная интенсивность изнашивания экспериментальных образцов: 1) сталь с бронзой, 2) никель с бронзой, 3) медь с бронзой.

Из диаграммы следует, что интенсивность изнашивания подшипникового узла, восстановленного методом газодинамического напыления медно - цинковым порошком в семь раз меньше стандартной пары трения сталь с бронзой.

Таблица 2

Результаты лабораторных испытаний на износостойкость пары

Неподвижный образец Подвижный образец 4 к

Оловянисто-свинцовая бронза БрОС-10-10 Сталь 40 7,14* Ю-11 4,23*10-" 1,37*10-"

Оловянисто-свинцовая бронза БрОС-10-10 Никелевое покрытие 1,27* 10~" 1,57*10-" 2,84* 10-"

Оловянисто-свинцовая бронза БрОС-10-10 Медно- цинковое покрытие 0,74* 10-" 1,33*10-" 2,12*10""

Интенсивность изнашивания у пары трения «медь-цинк - БрОС-Ю-10» в 4 раза меньше чем у пары «сталь - БрОС-10-10».

Сравнительные испытания турбокомпрессоров, отремонтированных по предложенном)' методу газодинамического напыления и турбокомпрессоров, отремонтированных по существующей технологии, на стенде для приемо-сдаточных испытаний, показали, что турбокомпрессоры, отре-

монтированные по предлагаемому методу, обеспечивают основные рабочие характеристики.

На рис.5 представлены результаты обработки изменения основных рабочих параметров турбокомпрессора, которые влияют на производительность двигателя. _

а)

156

—«—восстановленный методом ГДН

-В— востановленный

существующим методом

100 300 500 700 900 11001300150017001900 Наработка мото часы

б)

наработка мото часы

—Ф— восстановленный методом ГДН

—©-восстановленный

существующим методом

Рис. 5 Основные рабочие параметры турбокомпрессора: а) давление воздуха в камере сгорания, б) виброускорение

Из графиков следует, что турбокомпрессор, отремонтированный по предлагаемой технологии имеет после наработки в 2000 мото-ч основной

рабочий параметр давление воздуха в камере сгорания на 13,6% больше, чем у турбокомпрессоров, отремонтированных по ранее существующей технологии, а виброускорение увеличивается на 12,4%. Развитие турбокомпрессором данных характеристик позволяет эксплуатировать технику без проведения незапланированных ремонтов.

После статистической обработки данных разброс основных рабочих показателей турбокомпрессора составил.

Во время эксплуатации лесозаготовительная техника работала в штатных режимах, без каких либо нареканий по нестабильности работы турбокомпрессоров. Наработка составила 900 ... 2000 мото-ч. На предприятиях, где проходили испытания восстановленные турбокомпрессоры по-лученны положительные рекомендации по их работе. После испытаний турбокомпрессоры были разобраны и замерены износы поверхности валов под подшипник скольжения. Взаимный износ на новых турбокомпрессорах в подшипниковом узле составил 35% от предельного, а в подшипниковом узле, восстановленным, с помощью газодинамического напыления, составил 15% от предельного. Таким образом, доказана техническая целесообразность применения технологии восстановления газодинамическим напылением и выбор медно-цинкового порошка марки С-01-11 для нанесения покрытия на вал ротора турбокомпрессора.

В главе 5 «Рекомендации производству» разработаны технологические рекомендации по ремонту турбокомпрессоров дизельных двигателей методом газодинамического напыления.

Они внедрены в ремонтно-механических мастерских Киржачского и Кольчугинского ЛП Филиала ГУЛ ВО «Владлеспром» Владимирской области; а также используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса». Экономический эффект от реализации предложенных рекомендаций в условиях ремонтно-обслужквающих предприятий составил 205 707 руб, при годовой программе восстановления 300 шт.

Сравнительный анализ затрат на эксплуатацию одного трактора ТДТ - 55,в условиях лесозаготовительного предприятия представлен в табл. 3. Затраты на эксплуатацию одного трактора ТДТ - 55 в условиях Киржачского ЛП сократились на 660 руб. в смену, за счет уменьшения простоев техники по техническим причинам.

Таблица 3

Экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии _ на лесозаготовительном предприятии

Наименование показателей Трактор ТДТ - 55 с ТКР, отремонтированным, по базовой методике Трактор ТДТ - 55 с ТКР, отремонтированным, по предлагаемой технологии

Стоимость трактора, руб 1 670 000 1 670 000

Годовой объем заготовок, м3 37 400 46 600

Производительность в смену, м3; 200 200

Количество мото-ч, отработанных за год 850 1060

Затраты на эксплуатацию трактора руб. в смену 6 388 5 728

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Парк лесозаготовительной и лесотранспортной техники, а также передвижных дизельных электростанций, используемых в лесном комплексе, значительно устарел. Более 70% эксплуатируемого оборудования выработало свой ресурс. Использование на двигателе внутреннего сгорания турбокомпрессоров является наиболее экономически оправданным способом увеличения полезной мощности дизельного двигателя.

2. В процессе работы двигателя внутреннего сгорания турбокомпрессор наиболее сильно загружен. Самым распространенным отказом является износ подшипникового узла турбокомпрессора, их доля в общем числе отказов составляет 81%.

3. Восстановление подшипникового узла с повышением износостойкости является наиболее актуальной задачей. Существующие способы восстановления являются либо дорогостоящими, либо не обеспечивают необходимой долговечности. Одним из наиболее перспективных способов восстановления первоначального ресурса двигателей является газодинамическое напыление.

4. Для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости покрытия теоретически обосновано применение медно-цинковых порошков марки С-01-11, нанесенных методом газодинамического напыления.

5. Установлено, что физико-механические свойства покрытий (шероховатость, микротвердость, коэффициент трения) на восстановленном турбокомпрессоре соответствуют требованиям завода изготовителя. Коэффициент трения в соединении, вал ротора (восстановлен порошком медь с цинком), с подшипником скольжения (из оловянисто-свинцовой бронзы БрОС - 10 - 10) на 20 % меньше, чем у соединения, где вал ротора изготовлен из стали 40.

6. Суммарный износ в подшипниковом узле с восстановленным газодинамическим напылением валом ротора на 20% ниже, чем в узле, где вал ротора восстановлен по базовой технологии.

7. Разработана технология восстановления поверхности вала ротора турбокомпрессора, под подшипник скольжения (газодинамическим напылением), которая увеличивает его ресурс на 23% по сравнению с базовой технологией ремонта вала ротора. Это позволяет увеличить его наработку до установленной нормативно-технической документацией на капитальный ремонт двигателя.

8. Разработан стенд для проведения приемо-сдаточных испытаний турбокомпрессоров. На данный стенд получен Патент РФ на полезную модель № 89617.

9. Испытания на стенде показали, что по достижению 2000 мото-ч наработки, основные рабочие характеристики турбокомпрессоров с валами роторов восстановленных по предлагаемой технологии на 13% выше, чем у турбокомпрессоров, отремонтированных по существующей технологии.

10. Эксплуатационные испытания показали, что турбокомпрессоры, отремонтированные по предложенной технологии имеют наработку на 989 мото-ч больше, чем турбокомпрессоры, отремонтированные по существующей технологии.

11. Экономический эффект от применения предложенной технологии ремонта турбокомпрессоров в ООО «Сервис Турбо», составил 205 707 руб при программе восстановления 300 валов в год. Расходы на эксплуатацию трактора ТДТ - 55 у Киржачского ЛП - Филиал ГУП ВО «Владлеспром», где использовались восстановленные турбокомпрессоры, сократились на 660 руб в смену.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи:

1. Михалин П.А. Дац Ф.А. Сухарев A.C. Анализ эффективности использования зарубежной лесозаготовительной техники. Труды международного симпозиума «Надежность и качество 2007» Пенза, 2007, - с 61-63.

2. Михалин П.А. Дац Ф.А. Сухарев A.C. Анализ надежности зарубежной лесозаготовительной техники. Вестник Российского государственного аграрно-заочного университета №2(7) Москва, 2007, - с. 37 - 40.

3. Михалин П.А., Прохоров В.Ю. Ремонт турбокомпрессоров машин лесного комплекса при использовании альтернативных материалов //Вестник Московского государственного университета леса Лесной вестник, № 4 - М.: МГУЛ, 2008, - с. 54-56.

4. Михалин П.А. Повышение эффективности стендовых испытаний турбокомпрессоров прошедших капитальный ремонт // Вестник Москов-

ского государственного университета леса Лесной вестник, № 5 - М.: МГУЛ, 2010,-с. 103-106.

Патент:

5. Патент РФ на полезную модель № 89617 Стенд для испытаний турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания: Михалин П.А., Си-ротов A.B., Шамарин Ю.А., Панферов В.И., Корнеев В.М., 2009.

Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленного оригинал-макета

Подписано в печать 06.12.2010. Формат 60x90 1/16. Бумага 80 г/м2 Гарнитура «Тайме». Ризография. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ №478.

Издательство Московского государственного университета леса. 141005, Мытищи-5, Московская обл., 1-я Институтская, 1, МГУЛ. E-mail: izdat@mgu1.ac.ru

ЗДАТЕАЬСТВО ñ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Состояние современного парка лесных машин и передвижных дизельных электростанций.

1.2. Применяемость турбокомпрессоров в машинах лесного комплекса.

1.2.1. Мобильная техника.

1.2.2. Дизельные электростанции с турбонаддувом.

1.3. Анализ отказов турбокомпрессора.

1.4. Анализ технологий ремонта турбокомпрессоров на примере вала ротора.

1.5. Анализ технологии восстановления валов ротора турбокомпрессоров лесных машин с помощью технологии газодинамического напыления.

1.6. Выводы, цель и задачи исследования.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОВЫШЕНИЯ

ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОДШИПНИКОВОГО УЗЛА ТУРБОКОМПРЕССОРА

2.1. Факторы, влияющие на износ вала ротора турбокомпрессора, и способы обеспечения работоспособности подшипникового узла турбокомпрессора.

2.2. Методы повышения износостойкости фрикционной пары подшипник скольжения вал ротора турбокомпрессора.

2.3. Выводы по главе 2.

Глава 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Программа исследований. Блок-схема.

3.2. Материалы и оборудование для нанесения покрытий.

3.3. Методика измерения шероховатости поверхности после восстановления деталей.

3.4. Методика измерения микротвердости образцов.

3.5. Методы ускорения испытаний на машине трения.

3.6. Методика триботехнических лабораторных испытаний на износостойкость образцов серийных и восстановленных пар трения.

3.7. Методика стендовых испытаний турбокомпрессоров с валами восстановленными по предлагаемой методике.

3.8. Методика эксплуатационных испытаний турбокомпрессоров с восстановленными валами.

3.9. Выводы по главе 3.

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ.

4.1. Влияние выбора марки порошка на физико-механические свойства покрытия вала ротора турбокомпрессора во время и после завершения испытаний на износостойкость.

4.2. Влияние выбора марки порошка для восстановления на шероховатость покрытия вала ротора турбокомпрессора.

4.3. Износостойкость поверхностей восстановленных по технологии газодинамического напыления.

4.4. Результаты стендовых испытаний турбокомпрессоров прошедших капитальный ремонт по технологии газодинамического напыления.<.

4.5. Результаты эксплуатационных испытаний отремонтированных турбокомпрессоров.

4.6. Выводы по главе 4.

Глава 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ.

5.1. Технологический процесс восстановления вала ротора турбокомпрессора ТКР-9 (12-00) двигателя ЯМЗ 238 Д.

5.2. Экономическая эффективность от внедрения разработанной технологии восстановления вала ротора турбокомпрессора ТКР-9 (12-00) двигателя ЯМЗ 238 Д.

5.3. Выводы по главе 5.

На современном этапе экономического развития Российской Федерации встают вопросы эффективного проектирования, производства, а также эксплуатации машин и оборудования при обеспечении их высокой работоспособности, что достигается за счет повышения долговечности, технико-экономических показателей, экологической безопасности технологий.

Парк лесозаготовительной и лесотранспортной техники, а также передвижных дизельных электростанций, используемых в лесном комплексе, значительно устарел. Более 70% эксплуатируемого оборудования выработало свой ресурс. Следовательно, его необходимо заменить на новое, либо модернизировать, улучшив производительность, а также повысить безотказность!^ 1,2,3].

В современных машинах и механизмах наибольшая потеря энергии и-мощности происходит в узлах трения. Особенно это касается узлов трения скольжения, к которым относятся: столы, суппорты, направляющие, опоры скольжения и т.д. Общие рекомендации по уменьшению потерь энергии сводятся к замене трения скольжения трения качением [4,5,6,7], но это не всегда целесообразно в связи с ограничениями размеров узла, особенностями конструкции, условиями работы и т.д. Благодаря глубоким исследованиям трения скольжения, разработано большое количество высоко эффективных антифрикционных материалов таких как чугуны, бронзы, баббиты и многие другие материалы, которые успешно применяются в узлах трения различных машин и механизмов. Однако для некоторых условий работы, к которым можно отнести действие химически активных сред, динамическое нагруже-ние, наличие абразива в зоне фрикционного контакта, достигнутый уровень трибологических характеристик материалов недостаточен для обеспечения работоспособности машины [8,9,10,11]. К таким типам узлов относится турбокомпрессор двигателя внутреннего сгорания. Во время проведения лесозаготовок техника работает в сложных условиях (большой диапазон частоты вращения коленчатого вала). В таких условиях турбокомпрессор дизельного двигателя является причиной отказов дизельного двигателя до 43% от общих отказов. Турбокомпрессор лее в основном выходит из строя в 81% случаев из-за дефектов, возникающих в подшипниковом узле. Поэтому задача повышения триботехнических свойств материалов при восстановлении первоначального ресурса вала ротора турбокомпрессора дизелей лесных машин остается наиболее актуальной и в настоящее время.

Опыт применения подшипников скольжения из полимерных и композиционных материалов, таких как графит, полиамид 6, ПТФЭ, фторопласты, углепластики и т.д. показывает, что по эксплуатационным характеристикам для большинства видов условий работы они превосходят подшипники, изготовленные из стандартных материалов, по ряду показателей, но они являются дорогостоящими и не решают проблемы износа вала ротора [9].

Повышение эффективности эксплуатации имеющегося парка машин может быть достигнуто увеличением коэффициента использования оборудования, снижением расходов на его эксплуатацию и уменьшением времени простоев по техническим причинам.

Парк лесозаготовительной, лесотранспортной техники, а также передвижных дизельных электростанций, используемых в лесном комплексе, в настоящее время характеризуется ускорением его морального и материального износа. При этом увеличивается интенсивность отказов машин и продолжительность простоев, связанных с восстановлением их работоспособности, растут затраты на проведение неплановых работ по техническому обслуживанию и ремонту (ТО и Р).

Основным силовым агрегатом практически любых машин, используемых на лесозаготовках, является дизель. Проведенный анализ показал, что наименее надежным узлом дизеля (особенно в условиях лесозаготовок) является турбокомпрессор (ТКР). На его долю приходится более 15% отказов двигателя. В свою очередь более 80% отказов ТКР приходится на подшипниковый узел вала ротора.

Сложность ремонта турбокомпрессоров лесозаготовительной техники состоит в том, что делянки, где эксплуатируется техника, удалены от ре-монтно-обслуживающих баз. Для уменьшения простоев лесных машин по техническим причинам необходимо увеличить наработку турбокомпрессора до величины установленной нормативно технической документацией на ТО и Р двигателя.

Анализ путей повышения работоспособности фрикционных соединений показывает, что наиболее перспективным, для ремонта подшипникового узла турбокомпрессора, является восстановление посадочной поверхности вала ротора турбокомпрессора при помощи материалов, которые снижают-нагрузку на узел.

Цель работы: повышение надежности турбокомпрессоров дизелей лесных машин и передвижных электростанций за счет увеличения срока службы вала ротора.

Объектом исследований: являются турбокомпрессоры дизелей лесных машин и передвижных электростанций.

Предмет исследований: техническое состояние подшипникового узла турбокомпрессора, свойства покрытий нанесенных на валы роторов методом газодинамического напыления

Научная новизна диссертационной работы:

- на основе фундаментальных положений теории трения и анализа структуры фрикционного контакта разработана математическая модель определения предельно допустимой интенсивности изнашивания подшипникового узла турбокомпрессора;

- предложен способ восстановления вала ротора ТКР дизелей лесных машин газодинамическим напылением который увеличивает ресурс турбокомпрессора до наработки, установленной нормативно технической документацией на капитальный ремонт двигателя.

- предложена методика стендовых испытаний турбокомпрессоров, новизна которой подтверждена патентом РФ на полезную модель №89617 «Стенд для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания»;

Практическая значимость. Разработаны рекомендации по технологии ремонта турбокомпрессоров дизелей лесных машин А - 01 МЛ; СМД - 18.01; ЯМЗ 238.

Реализация результатов исследований. Технологические рекомендации по ремонту турбокомпрессоров дизелей электростанций и лесных машин внедрены в ремонтно-механических мастерских Киржачского и Кольчугин-ского ЛП филиала ГУП ВО Владлеспром Владимирской области, а также в учебном процессе ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждены и одобрены на научно-технических и практических конференциях и симпозиумах, в том числе международных, в частности:

- Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы развития лесопромышленного комплекса», (г. Вологда, 2006,2007,2008,2009,2010г.);

- научно-технических конференциях ГОУ ВПО Московского государственного университета леса по итогам работы для научно преподавательского состава и аспирантов (г. Мытищи, 2007 - 2010 гг.);

- Международном симпозиуме «Надежность и качество 2007», г. Пенза;

- Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию Левицкого И.С., РГАЗУ, г. Балашиха, 2007 г.

- Выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ - 2010 г. Москва 29 июня - 2 июля ВВЦ

-Совместном заседании кафедр: «Электроэнергетики лесных комплексов», «Транспорта леса», «Технологии и оборудования лесопромышленного производства», «Колесных и гусеничных машин», «Материаловедения и технологии конструкционных материалов» МГУЛ (июнь 2010 г.)

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в четырех статьях (две статьи в издании, рекомендованном ВАК) и одном патенте РФ на полезную модель.

Основные положения, выносимые на защиту:

- теоретическое обоснование выбора материала напыления для восстав новления валов роторов турбокомпрессоров дизелей лесных машин и передвижных электростанций;

- результаты анализа отказов валов роторов турбокомпрессоров дизелей лесных машин и передвижных электростанций;

- технология восстановления валов роторов турбокомпрессоров дизелей лесных машин и передвижных электростанций методом газодинамического напыления;

- методика стендовых испытаний турбокомпрессоров, прошедших капитальный ремонт на стенде собственной разработки, для приемо-сдаточных испытаний (патент РФ на полезную модель № 89617 «Стенд для испытания турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания»);

- результаты анализа свойств покрытий вала ротора после его восстановления методом газодинамического напыления;

Структура и объем диссертации:

Работа содержит 167 машинописных страниц текста, в том числе 20 таблиц, 56 рисунков. Библиографический список использованных источников содержит 117 наименований. Приложения включают 12 страниц материалов в виде научно-технической документации и актов внедрения.