автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение долговечности деталей ходовой части лесных машин электроконтактным припеканием композиционных материалов

005045219

На правах рукописи

Мальцев Александр Александрбвнч-

Повышение долговечности деталей

ходовой части лесных машин электроконтактным припеканием композиционных материалов

05.21.01 — Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з 1 ш 2072

Петрозаводск - 2012

005045219

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете им. С. М. Кирова

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Балихии Владимир Васильевич

Официальные оппоненты Григорьев Игорь Владиславович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технологии лесозаготовительных производств Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета им. С. М. Кирова

Скобцов Игорь Геннадьевич,

кандидат технических наук, доцент кафедры технологии металлов и ремонта Петрозаводского государственного университета

Ведущая организация Московский государственный

университет леса

Защита состоится 20 июня 2012 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, Россия, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Петрозаводского государственного университета.

Автореферат разослан «/¿л> мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Р. В. Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В данной работе представлен метод восстановления деталей с повышением их долговечности и одновременным упрочнением рабочей поверхности. Восстановление и изготовление деталей электроконтактным припеканием порошковых материалов может использоваться для наиболее нагруженных деталей ходовой части лесозаготовительных машин. Так же следует учесть тот факт, что внедрение установки для электроконтактного припекания возможно на большинстве предприятий отрасти, и не требуем крупных финансовых вложений.

Цель работы. Повышение долговечности и прочностных характеристик деталей класса «ось» ходовой части лесозаготовительных машин с использованием электроконтактного припекания композиционных материалов.

Объекты и методы исследования. Объектом исследований являются детали класса «ось» ходовой части тракторов ОТЗ, а в качестве предмета исследования выбрана ось катка трактора Онежец-ЗОО. Теоретические и экспериментальные исследования выполнены с применение ЭВМ и основных положений математической статистики и регрессионного анализа.

Научная новизна. Получена зависимость толщины, прочности сцепления и интенсивности изнашивания композиционного покрытия от факторов (параметры тока, шероховатость поверхности и сила прижима наплавляющего ролика) технологического процесса напекания. Произведен выбора оптимального состава материала для спекания. Получена математическая модель нанесения покрытия, позволяющая оценить производительность и себестоимость технологического процесса. На защиту выносятся следующие положения:

• Для восстановления деталей класса «ось» ходовой части лесных машин целесообразен метод электроконтактного припекания композиционного материала ПК40Х2, позволяющий повысить долговечности соединения в 1,55 раза.

• Зависимости, определяющие влияние параметров технологического процесса нанесения покрытия (сила тока, напряжение, усилие прижима электрода и время импульса и паузы тока) на толщину наносимого слоя и его долговечность.

• Математическая модель оптимизации параметров технологического процесса нанесения покрытия по экономическим критериям. Практическая значимость работы заключатся в разработке и

применении перспективного метода восстановления и упрочнения новых деталей класса «ось» ходовой части лесозаготовительных машин с повышением их долговечности. Разработаны рекомендации по внедрению

технологии ЭКН на машиностроительные и ремонтные заводы лесной отрасли.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Санкт-Петербургского Государственного Лесотехнического университета имени С.М. Кирова на кафедре Технологии лесного машиностроения и ремонта и в рамках секционных конференций Лесомеханического факультета, на восьмой международной научно-практической интернет-конференции «Леса России в XXI веке» в 2011 г, на XII Международной молодежной конференции «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ» Ухтинского государственного технического университета, на международной научно-практической конференции "Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика" в СПб! НУ и отражены в отчетах по НИР.

Публикации. По результатам исследований опубликованы 6 печатных работы, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов и рекомендаций, списка литературы и 2 приложений. Общий объем работы 133 стр. Диссертация содержит 39 рисунков, 24 таблицы, список литературы содержит 99 наименование, из которых 7 иностранная литература.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность темы, цель работы, научная новизна и научные положения, выносимые на защиту, и практическая значимость.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ КЛАССА «ОСЬ» И ФОРМУЛИРОВАНИЕ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

В связи с тем, что в настоящее время лесные машины, находясь в тяжёлых условиях эксплуатации, практически не вырабатывают нормативного ресурса, особую актуальность приобретают вопросы долговечности и надежности капитально отремонтированной техники. Этого можно достичь за счет систематического совершенствования способов восстановления различных групп деталей. В данной работе для групп деталей "ось" (с механическим абразивным износом) трактора Онежец-ЗОО требуется разработать рациональный вариант компоновки наплавочной установки, позволяющей получать покрытия с высоким качеством.

Из современных способов восстановления наиболее подходящим, с нашей точки зрения, для восстановления деталей класса «ось» является метод электроконтактной наплавки с применением композиционных материалов. Данный метод является наиболее производительным (производительность в 2 раза выше чем при наплавке под флюсов и в 3 раза выше, чем при железнении) и требует наименьшее количество

капитальных вложений и трудоемкости для своего осуществления. В отличие от других методов наплавки, ЭКН одновременно в ходе выполнения технологического процесса производит упрочнение покрытия ротационным методом. К тому же установка ЭКН может монтироваться практически на любой токарный станок, что позволяет применять этот метод восстановления без закупки дорогостоящего оборудования. Данный метод восстановления деталей позволяет наносить покрытия повышенной износостойкости с высокой прочностью сцепления с основным материалом. К тому же большим преимуществом ЭКН является возможность варьирования физико-механическими свойствами получаемого покрытия в зависимости от выбранного композиционного материала и режимов технологического процесса. По данному направлению на кафедре «Технологии лесного машиностроения и ремонта» Санкт-Петербургского Государственного Лесотехнического Университета были выполнены работы д.т.н. Балихина В.В., к.т.н. Чаусова A.A., к.т.н. Маркова А.Н. и к.т.н. Маркова В.А. Кафедра ТЛМиР продолжает работать над вопросами восстановления деталей лесных машин с применением современных композиционных материалов. Также в развитие данной области науки внесли свой вклад ученые из СПбГПУ, МГУЛ, ПетрГУ, УГТУ, БрГУ, МарГУ, ВГЛТА, АГТУ и других технических вузов России, такие как Питухин A.B., Быков В.В., Голубев И.Г., Шиловский В.Н., Тюковин В.П., Котов С.А. и др.

Анализируя статистику отказов лесозаготовительной техники можно сделать вывод, что около 70% всех отказов (механических и абразивных) приходится на изнашивание деталей входящих в подвижные соединения. Наибольшее число отказов в данных соединениях приходится на ходовую часть и навесное оборудование лесозаготовительной техники.

В качестве предмета исследования выбрана ось катка лесозаготовительного трактора Онежец-ЗОО. Данная деталь является универсальной и также используется в других гусеничных тракторах ОТЗ, производимых ранее, например ЛХТ-100 и др. Номер детали по каталогу 95-33-161. Данная деталь расположена в механизме балансира гусеничных тракторов и подвержена механическому абразивному износу. Также было установлено, что средняя наработка до отказа у данной детали составляет 4000 моточасов. Анализом отказов балансиров ранее выпускаемого ОТЗ трактора ТДТ-55А занимался проф. Питухин A.B., им было установлено, что 80% наработка до отказа составляет 2000 моточасов, при нормативном значении в бООО.Сверхизнос после 2000 моточасов вызван зазором в соединении деталей, в который активно попадает абразив.

В соответствии с поставленной целью и на основании результатов аналитического обзора основными задачами работы являются:

1. Произвести анализ и выбор композиционных материалов для восстановления осей ходовой части тракторов, соответствующих по

физико-механическим показателям (твердость, микротвердость, пористость и коррозийная стойкость) условиям работы лесозаготовительной техники.

2. Установить зависимости толщины получаемого покрытия от параметров тока и усилие прижима наплавочного ролика.

3. Определить коэффициент долговечности получаемого покрытия и установить ресурс восстановленного соединения.

4. Разработать математическую модель процесса восстановления и определить оптимальные режимы технологического процесса наплавки по критериям прочности сцепления и износостойкости.

2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ДЕТАЛЕЙ ЭКН ПОРОШКОВЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

В зависимости от размеров восстанавливаемой детали, ее конструкции, материала и свойств металла, допустимого нагрева, требуемого слоя наплавленного металла и других факторов, применяются различные схемы осуществления электроконтактной наплавки. В нашем случае рассматриваем двухточечную схему электроконтактной наплавки.

Технология восстановления деталей электроконтактной наплавкой порошка (рис. 1) включает в себя: подготовку в восстановлению, нанесение порошка слоя и последующую механическую обработку

Выттрессовывание детали из балансира

3

Очистка

г

Механическая обработка

Г

Обезжиривание

г —

Электроконтактное припекание

композиционного порошкового материала

I

Механическая обработка

I

Контроль качества

Заттрессовывание детали в балансир

Рис. 1. Схема техн. процесса Рис. 2. Наплавочная головка с восстановления деталей электро- электродами контактной наплавкой порошка.

Перед восстановлением ось выпрессовывается из балансира, а после восстановления запрессовывается обратно. Наплавочная головка с электродами и дозатором представлена на рис. 2.

Для определения оценочных показателей предложено использовать теорию производительности оборудования и труда, для выбора рациональной технологии эксплуатации лесных машин проф. Прохоровым В.М., в дальнейшем примененной проф. Балихиным В.В. для оценки затрат ресурсов на проведение технологического процесса. Для электроконтактного припекания композиционных материалов данные производительности получены впервые.

В нашем случае технологическая производительность на проведение операции определяется по формуле:

П =Кг^п=К1т1ы^ = К^т , (1)

Чы

Определив все коэффициенты получаем: П = 0,35 х 0,78 х 5928 х 3,3 = 5340 г/кВт'Ч.

Экономическая эффективность Долговечность (Кд>1)

з:

Эксплуатационные испытания и внедрение технологии

Рис. 3. Общая схема проведения исследования

Полученное значение производительности более чем в 2 раза превышает показатель наплавки под флюсом, рекомендованной картами дефектации для восстановления детали «ось катка».

Анализируя технологический процесс электроконтактного припекания композиционных материалов, сформулирована основная цель диссертационной работы - повышение долговечности деталей ходовой части лесных машин. Все дальнейшие исследования проводились с учетом данной цели. Схема проведения исследований представлена на рисунке 3.

В качестве материалов для проведения исследований выбраны три современных порошковых композиционных материала: ПК10Д5, ПКХ6 и ПК40Х2. В качестве материала для изготовления образцов использовалась сталь 40Х ГОСТ4543-71 (согласно чертежу завода-изготовителя).

В соответствии с поставленными задачами исследования спланирован и осуществлен полнофакторный эксперимента типа 23(3 фактора и 8 основных опытов) с целью установления оптимального качества покрытия и два полнофакторых эксперимента второго порядка типа 23 для установления максимальной долговечности. После обработки экспериментальных данных производилась оптимизация. Для определения однородности уравнения полученных зависимостей использовался критерий Кохрена, для проверки значимости членов полинома — критерий Стьюдента, а для проверки адекватности уравнения регрессии - критерий Фишера.

Обработка экспериментальных данных проводилась в безразмерных величинах с последующим переходом к натуральным значениям.

3. АНАЛИЗ И ВЫБОР ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ

СПЕКАНИЯ ЭКН

При выборе подходящего порошкового материала, который возможно использовать при нанесении покрытий методом электроконтактной наплавки следует учесть физико-механические и эксплуатационные свойства получаемых из них покрытий и сопоставить их со свойствами исходного материала, в данном случае стали 40Х.

Для выбора порошкового материала, используемого для восстановления тяжелонагруженных деталей воспользуемся классификацией предложенной проф. Ермаковым Б.С. Проанализировав данную классификацию и сопоставив ее с химическим составом материалов остановимся на трех композиционных металлических порошках:

1. ПК10Д5 (используется для получения плотных тяжелонагруженных покрытий);

2. ПКХ6 (используется для получения плотных высокоизносостойких покрытий);

3. ПК40Х2 (используется для получения плотных износостойких и подверженных ударным нагрузкам покрытий).

Рис. 4. Образцы для проведения исследований физико-механических свойств покрытий.

Образцы для проведения для удобства проведения исследовании были изготовлены в виде валиков с последующим их разрезанием на сегменты (рис. 4).

Анализируя показатели микротвердости трех покрытий, полученных электроконтактным напеканием порошковых материалов на поверхность детали можно сделать вывод, что покрытие ПК10Д5 уступает остальным по данному критерию на 30%. Покрытия ПКХ6 обладаем наибольшими значениями микротвердости (2500НУ) чем ПК40Х2 (2400НУ), однако покрытие ГЖ40Х2 более стабильно и однородно (отсутствует резкое снижение микротвердости) по глубине, что даст положительный эффект при износе детали.

Анализируя данные исследования твердости 3-х предложенных покрытий, можно судить что покрытия ПКХ6 и ПК40Х2 обладают большими показателями этого параметра на 25% чем покрытие из материала ПК10Д5. Как и при исследовании микротвердости покрытие ПК40Х2 более стабильное (т.к. отсутствует резкие колебания твердости по глубине), чем остальные. Покрытие является более твердым (280НВ), чем сталь 40Х, из которой изготовлена представительная деталь (твердость стали 40Х = 217НВ).

Исходя из данных исследования устанавливаем что среднестатистическая пористость покрытия ПК10Д5 - 16,8%, ПКХ6 - 4,9% и ГЖ40Х2 - 7,8%. Проанализировав исследования пористости, с учетом того что в узлах трения подвижных соединений рекомендуемая пористость деталей 7-10%, приходим к выводу, что по показателям пористости предпочтительнее покрытие ПК40Х2, обладающее наиболее приближенными к этим значениям характеристиками.

Исследование коррозийной стойкости проводилось по технологии разработанной кафедрой «Технологии лесного машиностроения и ремонта» СПбГЛТУ с учетом требований ГОСТ 9.908-85.

% Поглащ.2

—♦—ПК10Д -«-ПКХ6 -й—ПК40Х2 -*-Сталь ДОХ

Дни

Рис. 5. Коррозийная стойкость композиционных материалов. Аппроксимируя графики получаем следующие зависимости: У(ПКЮД) = 0,0671Х+0,04 (при Ккор = 0,998) У(ПКХ6) = 0,067 IX + 0,02 (при Ккор = 0,98) У(ПК40Х2) = 0,0386Х + 0,08 (при Ккор = 0,975) У(Сталь 40Х) = 0,0529Х + 0,02 (при Ккор = 0,997)

где, У - Процент материала поглощенного коррозией; X - кол-во дней; Ккор — коэффициент корреляции.

По показателям коррозийной стойкости наиболее предпочтительным из предложенных является покрытие, изготовленной из материала ПКХ6. Из-за повышенного содержания в своем составе хрома(5-7%), покрытие из данного материала значительно превосходит остальные и сталь 40Х.

Анализ микроструктуры производился на оптическом микроскопе №ор!ю1 32 с помощью системы анализа видеоизображений «Видео Тест-Мастер» в лаборатории «Пластической деформации металлов» СПбГПУ. Микроструктура полученного шлифа представлена на рис. 6.

Рис. 6. Микроструктура покрытия ГЖ40Х2 Произведя анализ всех рассмотренных показателей физико-механических свойств композиционных материалов спеченных

электроконтактным методом, установлено, что наиболее предпочтительным для высоконагруженных соединений ходовой части лесных машин является покрытие ПК40Х2. Данное покрытие является более стабильным, обладает наиболее предпочтительной пористостью и высокой коррозийной стойкостью, хотя и незначительно уступает покрытию ПКХ6 по твердости и микротвердости.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЛЩИНЫ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ

В нашем случае основным показателями качества может считаться толщина получаемого электроконтактным методом покрытия, это связано с тем, что после нанесения покрытия производится механическая обработка, формирующая остальные качественные показатели (шероховатость, волнистость и др.). Основными показателями долговечности восстановленной детали являются прочность сцепления покрытия с основой, интенсивность изнашивания и ударная прочность. Однако, в ходе анализа карт дефектаций деталей «ось катка» трещин на их поверхности не было выявлено, что говорит об отсутствии влияния ударной прочности на долговечность покрытия.

Исследование факторов определяющих толщину покрытия

Экспериментальным путем было установлено, что непосредственно на толщину покрытия будут оказывать влияние следующие факторы: усилие прижима ролика к восстановляемой детали, Р; время импульса, 1„ и время паузы, 1п;

Время импульса и паузы выбраны таким образом, чтобы покрытие успевало спекаться, но вместе с тем не происходило выгорания композиционного материала и перегрев детали. Усилие прижима ролика должно обеспечивать нанесение равномерного покрытия при этом, не позволяя порошковому материалу вытесняться из зоны спекания. Таблица 1

Уровни( >акторов эксперимента.

Обозна чение Факторы Уровни ва рьирования Интерва л варьиро вания

нижний основной верхний

-1 0 +1

XI Длительность импульса, с 0,03 0,04 0,05 0,01

х2 Длительность паузы, с 0,03 0,04 0,05 0,01

В ходе проведения предварительных исследований было установлено, что усилие прижима ролика в установленных пределах не влияет на процесс формирования покрытия и его толщину, однако процесс

спекания за пределами принятых интервалов не возможен. Вследствие этого примем значения этого фактора Р = 1 кН.

В результате проведения исследования была выявлена зависимость влияния времени импульса и паузы на толщину получаемого покрытия:

8=0,56 + 0,251и + 0,16Уп (2)

Построим графики зависимости толщины покрытия 5 от времени импульса и паузы, согласно полученному уравнению (рис. 7).

В нашем случае количество тепла выделявшегося при прохождении тока через деталь получается следующим:

(2™, = 12100 3 40 = 1452 кДж; Отах = 12500 3 40 = 1500 кД

0,03 0,05 0,03 0,05

0,03 0,03 0,05 0,05

Рис. 7. График зависимости 5 (1„ДП)-Исследование прочности сцепления покрытия с основным материалом (т)

Прочность сцепления покрытия с основным материалов является одним из важнейших параметров долговечности восстановленной или изготовленной детали с использованием покрытий. Деталь «ось катка» относится к классу высоконагруженных, и соответственно прочность сцепления (т) покрытия с основой в нашем случае должна составлять >500 МПа.

В нашем случае наиболее целесообразно провести исследование прочности сцепления методом «на сдвиг». Схема проведения исследования прочности сцепления на сдвиг представлена на рисунке 8. Данный метод заключается в исследовании адгезионной прочности сцепления. Суть метода заключается в воздействии на поверхность покрытия нагрузкой до момента его отрыва от основного материала.

Для определения т (прочности сцепления) используется ПЭФ типа 23 второго порядка. Кодируем переменные факторы и заносим их значения в таблицу 2.

Уровни факторов

Таблица 2

Уровень фактора I, кА и, В Яг, мкм

X/ \пх1 1пх2 х3 \пх3

Нижний (-1) 10 2,30 2 0,69 20 2,99

Основной (0) 12 - 3 - 90 _

Верхний (+1) 14 2,64 4 1,39 160 5,08

-а 7,85 - 1,57 - 15,7 _

+а 17,01 - 4,86 - 194,4 -

Образец для исследования прочности сцепления представлен на рисунке 9. Из рисунка видно, что образец включает в себя 3 зоны соединения основного материала с покрытием, из них два используются для проведения опытов, а третье изготовлено на случай срыва одного из опытов по техническим причинам, чтобы не нарушать статистику.

Цилиндрическая оправка

покрытие

Деталь

Рис. 9. Образец для проведения исследования

Рис. 8. Схема проведения исследования прочности сцепления

Запишем уравнение с введением членов, учитывающих взаимодействие факторов представим в кодированных переменных:

з

¥ = * = Ъо + + + ¿123*1*2*3 +

(3)

1=1 и М

Подставив значения Ъi в уравнение (3) получим: У=5,9+0,21Х1+0,14Х2-0,009ХЗ+0,004Х1Х2-0,004Х|ХЗ-0,02Х2ХЗ-

+О,О2Х1Х2ХЗ+О,1Х12+0,18Х22-О,ОЗХЗ2 (4)

Определим дисперсию воспроизводимости опытов:

с2 _ SO» ^mf ,c\

S>~ N-(r-1) (5) Sy2=0,0124/8-(2-l)=0,00155, следовательно Sy=0,124

Произведем проверку однородности дисперсии по критерию

Кохрена: ^ = S2^ = 0,0025 =Qm (6)

IX 0,0124 '

Для N=8; а=0,05; f=r-l=l по таблице определяем критическое значение критерия Кохрена: Gkp=0,6798. Так как GpaC4 < Gkp, то гипотеза принимается.

Запишем уравнение регрессии отсеив незначимые коэффициенты:

Y=5,9+0,21X |+0,14X2+0,1X! 2+0,18Х22 -0,03Хз2 (7)

Производим проверку по критерию Фишера:

F = S^/Sy =0,0147/0,00155=9,46

Находим по таблице FKp=19,37 > 9,46, соответственно модель адекватна. Потенцируя, получим:

т=36,42-1,231-0,37U+3,46I2+l,47U2-0,03Rz2, МПа (8)

Из данного уравнения можно судить, что наиболее значимыми параметрами, определяющими прочность сцепления основного материала с покрытием являются сила тока (I) и напряжение (U). Шероховатость же оказывает значительно меньший эффект, так как ее влияние проявляется лишь при учете квадратичного влияния фактора.

Произведем оптимизацию методом «Монте Карло» с использованием программы SPSS v.13 (лицензия № SP13-1321-5661). Суть данного метода заключается в многократном подставлении в уравнение регрессии различных значений факторов в установленных пределах с целью получения оптимального (максимального или минимального) значения функции.

В результате оптимизации получены следующие значения параметров технологического процесса: 1=14 кА, U =4В и Rz=90 мкм при т=525 МПа. Определим коэффициент прочности сцепления:

tf =^ = ^ = 1,05 (9)

* ^ 500 w

Исходя из требований, предъявляемых к высоконагруженным деталям (исходя из классификации проф. Масино М.А.), прочность сцепления покрытия с основным материалом должна превышать 500 МПа. В нашем случае данное условие выполняется, что свидетельствует о высокой прочности сцепления покрытия с основным материалом и соответствии материала ПК40Х2 условиям эксплуатации высоконагруженных соединений лесозаготовительной техники.

Исследование износостойкости композиционных покрытий

Для проведения исследования износостойкости детали «ось катка» необходимо воссоздать условия приближенные к реальным условиям эксплуатации данной детали. Причиной изнашиваемости осей ходовой части лесозаготовительной техники является механико-абразивное изнашивание.

Для воссоздания естественных условий трения используется установка ДМ-15.

В качестве факторов технологического процесса припекания композиционных материалов влияющих на интенсивность изнашивания были выбраны следующие: Сила тока (А), Напряжение (Ц) и сила прижима электрода (Р). Регрессионный анализ производим по аналогии с исследованием прочности сцепления.

Подставив значения 6,- в уравнение (3) получим:

¥=-33,85-1,97Хг1,43Х2-0,47Хз-0,47Х,Х2-0,15Х1Хз+0,11Х2Хз+0,07Х|Х2Хз-

-0,06Х,2-0,24Х22-0,09Х32 (10)

После отсеивания незначимых факторов, перехода к натуральным величинам и потенцирования уравнения получаем:

/„э=0,0455-0,001757-0,0025 (7-0,00115Р (11)

В результате оптимизации получены следующие значения параметров технологического процесса: I = 14 кА, и =4В и Р=0,5 кН при 1т=0,009 мм/час.

Учитывая, что 1ном = 0,014 мм/час определим коэффициент интенсивности изнашивания:

_/жам 0,014 1ЭКС 0,009 (12)

Анализируя результаты исследования можно сделать вывод, что покрытие, полученное методом электроконтактного припекания композиционных материалов более чем в 1,5 раза износостойкое, чем сталь 40Х, из которой изготовлена представительная деталь ось катка. Из этого следует, что использование в подвижных соединениях композиционных покрытий повышает их долговечность, а вследствие этого и надежность.

Анализ качества и определение коэффициента долговечности покрытия

Проанализировав экспериментальные данные можно сделать вывод, что наиболее долговечное покрытие получается при следующем режиме: 1:и = 0,05 с, ^ = 0,05 с, I = 14 кА, и = 4В, Яг = 90 мкм и Р = 0,5 кН. В данном режиме толщина покрытия (6) за один проход будет 1,2 мм, прочность сцепления покрытия с основным материалом (тсц) = 525 МПа, а интенсивность изнашивания 0,009 мм/час.

На основе данных собранных по предприятию ООО «Транслес» предельный износ детали «ось катка», при котором происходит отказ всего

соединения, наступает при 4000 моточасах работы, что приводит к вынужденной остановке производственного процесса лесозаготовок. Вследствие отказов данных деталей приходится производить внеплановый текущий ремонт трактора. При использовании восстановленных или изготовленных с композиционным покрытием деталей, коэффициент долговечности равен 1,55, что в свою очередь приводит и в повышению моторесурса (Мтед) на такую же величину:

мтед = Кд*М6аз= 1,55x4000=6200 моточасов (13)

где Мбаз - базовый моторесурс новой детали, моточасов.

Исходя из повышения долговечности можно сделать вывод, что критический износ детали «ось катка» наступит при средней наработке в 6200 моточасов, а ее замену или восстановления можно провести при плановом ТО трактора Онежец-ЗОО, проходящем при 6000 моточасах наработки. Это предотвратит вынужденные простои техники ля проведения текущего ремонта и повысит производительность лесозаготовительного производства.

Повышение долговечности также установлено при проведении эксплуатационных испытаний в условиях ОАО «Сельхозтехника» (г. Вельск, Архангельская область), что подтверждено актом внедрения, представленным в приложении №2 диссертации.

5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАТАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПО ЭКОНОМИЧЕСКИМ КРИТЕРИЯМ

Основным экономическим критерием любой внедряемой технологии является технологическая себестоимость (Ст). Для качественной оптимизации в первую очередь стоит установить те факторы технологического процесса, которые влияют на технологическую себестоимость. В случае с технологическим процессом припекания композиционных материалов электроконтактным методом это будут параметры тока (напряжение и сила тока), а также время импульса и паузы. Влияние параметра шероховатости поверхности будет минимальным, а усилие прижима электрода вообще не оказывает влияние на экономические показатели, поэтому эти параметры учитываться не будут.

В нашем случае наиболее приемлемым методом оценки технологической себестоимости является теория производительности труда. Исходя из данной теории удельная технологическая себестоимость равна:

С-р = Сг

где (7 - масса наносимого покрытия, г.

С1 С, С Я, кх ПТ)

■шш

(14)

С/ - сумма часовых затрат по заработной плате, амортизации оборудования, его ремонте и техническом обслуживании, амортизация помещения, занятого оборудованием и так далее;

С2 — стоимость кВт-ч электроэнергии;

С3 - часовые затраты на вспомогательные материалы или инструмент в зависимости от операции маршрута восстановления

Ст = С?'

303,2

4,2

20

т т-1-и т

ПтТ П»-— у

1 о Т " О

ч+.

Подставив в данное уравнение неизменные параметры получаем:

= 200-

303,2

4,2

20

0,35

200 0,028

0,78

200 1-и 200

К ' '„ +„

0,028

Преобразовав, получаем:

0,19-7-С/

и.

-> шш

(15)

Управляемыми переменными данного уравнения являются сила тока, напряжение и время импульса и паузы.

Подставив в данное уравнение значение оптимальных параметров технологического процесса восстановления, получаем технологическую себестоимость операции восстановления одной детали, равную 46,28 руб. Разделив данную величину на массу покрытия, получаем стоимость 1 грамма покрытия, равную 0,23 руб./гр.

При оптимизации необходимо соблюсти следующие условия (соблюдение данных условий может сократить затраты электроэнергии на технологический процесс, там самым снизив технологическую себестоимость нанесения покрытия):

Ст < 46,28 руб.; /< 14 кА; и< 6 В; /„ < 0,05 с; /„> 0,05 с При обязательных ограничениях:

т > 500МПа; 1Ш„ <0,014 мм/час Однако, значения /„ и г„ принимаем неизменными (0,05 с), так как изменение этих параметров может существенно снизить качественных характеристики покрытия.

Для вычисления оптимальных значений / и i/ пользуемся последней версией (v. 13) программы SPSS. Данная программа позволяет решать

подобные задачи без перевода данных в безразмерные единицы.

Таблица 3

Оптимальные значения

Параметр Управляемые переменные Ст, руб

I, кА и, В

Оптимальное значение 13,7 3,9 45,3

Технологическая себестоимость восстановления деталей ходовой части лесных машин может быть значительно снижена по сравнению с покупкой новых запасных частей. Это доказано на примере оси катка трактора Онежец-ЗОО.

6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФЕКТИВНОСТЬ ТРАКТОРОВ НА ТРЕЛЕВКЕ ДВЕВЕСИНЫ С ВОССТАНОВЛЕННЫМИ ДЕТАЛЯМИ

В современных экономических условиях рост эффективности лесозаготовительного производства зависит в основном от двух факторов: внедрения в это производство новейших машин и технологических процессов; формирование эффективной системы ремонтов и технического обслуживания лесозаготовительной техники. Первый фактор обеспечивают инвестиции в обновление техники и на приобретение запасных частей. Второй фактор — восстановление работоспособного состояния этой техники посредством ремонтов, при котором используются как новые детали (блоки) так и восстановленные. При этом качество восстановленных деталей должно быть не ниже новых деталей.

Оценка экономической эффективности работы тракторов Онежец-ЗОО с восстановленными деталями «ось катка» нами дана в сравнении с работой этих тракторов с новыми деталями «ось катка» по уравнению соответственно.

т т

^В - С К

об)

Где ЧДД - чистый дисконтированный доход (Ъ^РгезегНУаЬие);

В - доход от работы трактора в период 1, руб.;

С- расходы на работу трактора в период 1, руб.;

К — стоимость трактора, руб.;

Т- расчетный период работы трактора до первого капитального ремонта или списания;

г-дисконта, равная 10%.

Экономический эффект по чисто дисконтированному доходу от использования восстановленных деталей «ось катка» на тракторе Онежец-

300 за пять лет эксплуатации трактора на трелевке древесины (хлысты, деревья)составляет:

1451098-1351954=99144 рубля, Или на 1 м3-99144:66430м3= 1,49 рублей.

Примечание: для определения цены операции, «трелевка трактором» были по ряду лесозаготовительных предприятий Ленинградской области (г. Тихвин, г. Лодейное поле, г. Кириши) установлены: средняя цена 1 м3 -1250 руб.; средняя полная себестоимость 1 м3 - 952 руб.

Отсюда на 1 рубль затрат приходится 1, 313 рубля цены (дохода) (1250:952). Зная себестоимость 1 м3 трелевки древесины 221, 1 рубль (3475013:15717), была установлена цена трелевки древесины в размере 290,3 руб. за 1 м3 (221,1*1,313).

В результате проведенных исследований экономической эффективности удалось установить по отношению к аналогичным тракторам с новыми деталями следующее:

1. Количество замен деталей «ось катка» сокращается на 1 замену за 5-ти летний период их эксплуатации.

2. Повышается общая выработка тракторов на 260м3.

3. Сокращены затраты на ремонты и по другим направлениям работы тракторов по рассматриваемому кругу факторов. В эти же периоды работы тракторов увеличились доходы от их эксплуатации.

ВЫВОДЫ и РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Электроконтактное припекания композиционных материалов -перспективный и высокопроизводительный метод восстановления деталей, превышающий по производительности в 2 раза наплавку под флюсом, наиболее распространенную для восстановления осей лесных машин.

2. В ходе исследования физико-механических свойств композиционных покрытий, установлено, что для восстановления высоконагруженных деталей лесных машин электроконтактным методом наиболее подходит материала ПК40Х2, обладающего стабильной структурой, твердостью 280НВ, микротвердостью 2400HV, повышенной коррозийной стойкостью и оптимальной пористостью 8%.

3. Оптимальный режим нанесения покрытия: t„ = 0,05 с, tn = 0,05 с, I = 14 кА, U = 4В, Rz = 90 мкм, Р = 0,5 кН при скорости подачи порошка в зону спекания 0,13 кг/мин. В данном режиме толщина покрытия (б) за один проход будет 1,2 мм, прочность сцепления покрытия с основным материалом (тсц) = 525 МПа, а интенсивность изнашивания 0,009 мм/час, что обеспечивает повышение долговечности соединения в 1,5 раза.

4. Исходя из повышения долговечности, можно сделать вывод, что предельный износ (вызывающий отказ) детали «ось катка» в 2,6 мм наступит при наработке 6200 моточасов работы (вместо 4000 моточасов для новой детали).

¿0

5. Себестоимость нанесения композиционного покрытия электроконтактным методом для осей ходовой части тракторов составляет

0.23.руб./гр. С учетом высокой стоимости деталей ходовой части гусеничных тракторов, восстановление целесообразно.

6. Чистый дисконтированный доход от работы одного трелевочного тракторов с восстановленными деталями «ось катка» по отношению к тракторам с новыми деталями установлен в размере 99144 руб. (или 1,49 руб. на 1м3) за 5 лет эксплуатации.

7. Повышение долговечности и эффективность данного метода восстановления подтверждена эксплуатационными испытаниями, проведенными в Вельском районе Архангельской области на предприятии ОАО «Сельхозтехника».

Публикации по теме диссертации:

1. Балихин В.В., Марков В.А., Мальцев A.A. Исследование факторов, влияющих на толщину покрытия, полученного электроконтактным припеканием композиционных материалов. // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии, Выпуск 197. — 2011 г. С. 138-146. (доля участия 30%)

2. Балихин В.В., Марков В.А., Марков А.Н., Мальцев A.A. Анализ и выбор порошкового материала для спекания электроконтактным методом. // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии, Выпуск 198. - 2012 г. С. 140-156. (доля участия 25 %)

3. Котов С.А., Марков В.А., Марков А.Н., Мальцев A.A. Исследование скорости изнашивания композиционного покрытия ПК40Х2, нанесенного методом электроконтактного припекания. // Научно-технические ведомости СПбГПУ, Выпуск №2-2(147). - 2012 г. С. 172181 (доля участия 25 %)

4. Марков В.А., Мальцев A.A. Анализ отказов подвижных соединений ходовой части лесных машин. // 8-я международная научно-техническая интернет-конференция «Леса России в XXI веке» СПб: издательство ЛТУ, 2011 г. С. 106-109. (доля участия 50 %)

5. Мальцев A.A. Статистика отказов лесозаготовительной техники и пути повышения ее эффективности. // XII Международная молодежная научная конференция «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2012» Ухта: издательство УГТУ, 2012 г. С. 183-186. (доля участия 100 %)

6. Мальцев A.A. Технологический процесс восстановления деталей лесных машин электроконтактной наплавкой порошковыми материалами. // 3-я Республиканская научно-практическая конференция «Повышение эффективности лесного комплекса Республики Карелия» Петрозаводск: издательство ПетрГУ, 2012. С. 25-27. (доля участия 100 %)