автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение долговечности ресурсоопределяющих агрегатов мобильной сельскохозяйственной техники путем применения металлсодержащих смазочных композиций

-8-

Работа выполнена в институте механизации и электрификации сельского хозяйства Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова в 1985... 1999 г. по плану НИР университета в рамках целевых программ по разработке и внедрению комплексной системы ремонта и технологического обслуживания сельскохозяйственной техники. Решение отдельных частных задач по теме диссертации и внедрение результатов в производство выполнено автором совместно с аспирантами Венскайтисом В.В., Митюшки-ным A.A. и Семиным А.Г. В рамках выполненных исследований под научным руководством автора работы защищена одна кандидатская диссертация.

Актуальность темы подтверждается тем, что диссертационная работа выполнена в соответствии с планом Саратовской области по выполнению научного направления 1.2.9 "Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в Агропромышленном комплексе Поволжского экономического района на 20 лет до 2010 г." (№ гос. регистрации 840005200) и комплексной темы № 5 НИР Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова "Повышение надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве", раздел № 3 "Эффективность использования и повышения работоспособности тракторной техники при эксплуатации".

Цель работы - повышение долговечности ресурсоопределяющих агрегатов мобильной сельскохозяйственной техники за счет совершенствования процесса обкатки дизелей и применения металлсодержащих смазочных композиций при эксплуатации.

Научные положения и результаты работы, выносимые на защиту:

1. Научные основы повышения долговечности ресурсоопределяющих агрегатов мобильной сельскохозяйственной техники за счет улучшения приработки и формирования при эксплуатации поверхностных слоев с заданными триботехническими свойствами.

-12-

Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 работ, получено 2 авторских свидетельства и 3 патента на изобретение. Подробное изложение материалов по отдельным разделам работы представлено в 2 научных отчетах, прошедших государственную регистрацию.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и выводов, включает страниц текста, таблиц, рисунков и приложения. Список литературы содержит наименований.

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность и благодарность за советы и помощь при выполнении настоящей работы коллективам кафедр "Надежность и ремонт машин" и "Тракторы и автомобили" Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова.

-15-

работы, характера и причин их износа [4, 5, 6, 7, 8]. Остановимся на некоторых факторах, оказывающих наибольшее влияние на надежность сельскохозяйственных дизелей.

Основной фактор, вызывающий износ тракторных дизелей, - запыленность воздуха. Проведенные исследования [5, 7, 8, 9, 10] показывают, что абразивное воздействие пыли распространяется, в первую очередь, на детали ци-линдропоршневой группы при постоянном фракционном составе износ этих деталей прямо пропорционален количеству пыли, попавшей в двигатель, а при постоянном весе пропорционален увеличению размера ее частиц.

В связи с этим одним из путей повышения долговечности тракторных двигателей является улучшение очистки воздуха, поступающего в цилиндры. Специальные исследования абразивного изнашивания деталей двигателя СМД-14, проведенные в НАТИ, показали, что обеспечение их требуемой долговечности (4500-6000 ч) зависит от коэффициента пропуска воздухоочистителя, который

л

должен быть не более в = 1-1,2 % исходной пыли 8=0,0056 м /кг (коэффициент пропуска этой пыли серийными воздухоочистителями в = 2-4 %) [11].

Одна из причин повышенного износа деталей ЦПГ - плохая очистка масла в тракторных дизелях, как следствие малой эффективности системы фильтрации масла и недостаточной надежности работы этой системы [12,13,14, 15,16].

Исследования загрязнения картерных масел в тракторных дизелях, проведенные Харьковской опытной станцией механизации сельского хозяйства УНИИМЭСХа, показали, что масла при нормальных условиях интенсивно загрязняются в первые 80-120 ч работы, концентрация продуктов загрязнения составляет в пределах 0,2-0,6 % независимо от длительности работы масла в дизеле [17].

Большое влияние на величину и характер износа оказывает температурный режим двигателя. Исследования [18, 19, 20, 21, 22] показывают, что при работе двигателя на пониженных температурных режимах повышается интенсивность коррозийного изнашивания, особенно гильз цилиндров при запусках холодного

-16-

двигателя. При этом вследствие задержки подачи смазки могут возникать локальные схватывания металла, в основном в верхней части гильзы цилиндра.

На долю пусковых износов приходится 50-70 % общего износа двигателя на установившемся режиме.

Диапазон температур, при которых работает масло в тракторных двигателях, очень велик. Перед пуском двигателя в зимних условиях температура масла в картере и на поверхностях трения снижается до минус 30 °С и ниже, а при работе на номинальном режиме в картере она достигает 110 °С и выше, в подшипниках коленчатого вала - 150 °С, в зоне поршневых колец - 250 °С, а на боковой поверхности головки поршня - 300 °С.

По мере разогрева и увеличения загрузки двигателя температура масла возрастает, причем особенно интенсивно - на поверхностях деталей ЦПГ, где преимущественно протекают процессы окисления и полимеризации углеводородов масла и срабатывания присадок. Масло, проникающее в зону камеры сгорания, выгорает, некоторая часть его в виде сажи оседает на днище поршня, головке цилиндра, образуя нагар и лак. Из-за этого закоксовываются поршневые кольца, засоряются агрегаты очистки масла, усиливается абразивный износ поверхностей трения "цилиндр-поршень", ухудшается теплопередача [23, 24].

В работе [12] при рассмотрении условий функционирования масла в ДВС выделены следующие температурные зоны:

высокотемпературная - камера сгорания; в ней под действием высоких температур (до 2500 °С) и нагрузок (10... 12 МПа) моторное масло подвергается частичному тепловому распаду и окислению;

среднетемпературная, - детали ЦПГ. Масло подвергается воздействию высокотемпературных газовых потоков, прорывающихся из камеры сгорания. Стенки гильз цилиндров, покрытые слоем масла 4...8 мкм, имеют высокую температуру (от 150 °С в нижней части и до 350 °С - в верхней);

низкотемпературная - картер двигателя; в нем температура достигает 75...85 °С, избыток давления 1...2 МПа. Именно в этих условиях находится

-17-

основной объем масла.

Такая "жесткость" работы масла обусловливает его срабатываемость и окисление, то есть изменение эксплуатационных свойств.

Несомненно, что при режимах, близких к номинальному, происходит окисление тонкого слоя пленки на поверхностях цилиндровых втулок, которое интенсифицируется под действием высокотемпературных газовых потоков, прорывающихся из надпоршневого пространства в картер. Большое значение имеет также температура стенки цилиндра.

Для обеспечения надежной работы современных двигателей требуется высокое качество применяемого масла, которое, по существу, является конструктивным элементом двигателя, его "рабочим телом", от которого зависит его работоспособность [25, 26, 27].

Современные моторные масла, предназначенные для смазки двигателей, представляют собой сложную смесь углеводородов и их производных с добавлением присадок, обладающих различными функциональными свойствами.

Применение масел с многофункциональными присадками значительно повышает надежность двигателей. Например, увеличение долговечности двигателей "Фиат" на 50 % [28] получено за счет улучшения качества масла.

В связи с серьезными техническими проблемами, стоящими перед научными и производственными специалистами отечественного машиностроительного комплекса, создание равнопрочных машин и их агрегатов в ближайшее время невозможно. Поэтому значительную часть агрегатов машин подвергают многократному ремонту путем замены или восстановления изношенных деталей. Для этих целей в сельском хозяйстве расходуются огромные средства на приобретение запасных частей и организацию ремонтного производства.

На ТО, текущий и капитальный ремонты затрачивается средств в 5-6 раз, а труда в 10-15 раз больше, чем на их изготовление, в то время как ресурс отремонтированной техники составляет 30-50 % ресурса новой [29]. Даже простая разборка-сборка узла с целью замены в нем изношенной детали на запасную,

- 18-

приводит к снижению ресурса всего агрегата.

Качество ремонта техники непосредственно влияет на эффективность сельскохозяйственного производства и потери урожая, поскольку на полях страны после капитального ремонта работает около 50 % тракторов и комбайнов, более 70 % их двигателей [30].

Наработка на отказ у отремонтированных дизелей снижается в 1,73,5 раза [31].

Значения технических ресурсов систем тракторов в доремонтный и межремонтный периоды представлены в табл. 1.3 [2].

Таблица 1.3

Значения технических ресурсов систем тракторов в доремонтный и

межремонтный периоды (на примере модельного трактора), мото-ч

Марка трактора Технический эесурс, мото-ч

двигателя трансмиссии

доремонтный межремонтный доремонтный межремонтный

К-700А 4764 2651 4344 2450

МТЗ-80 5803 2920 5405 3844

ДТ-75М 3974 2430 4108 2357

Т-150М 3600 2200 3900 2520

Т-4А 3952 2370 3968 2240

По данным А.Ф. Дергачева [32], снижение межремонтной наработки на отказ и межремонтного ресурса капитально отремонтированных сборочных единиц связано с ухудшением на 20 % контроля и сортировки деталей, на 15 % с качеством их восстановления, на 25 % с качеством запасных частей, на 40 % с качеством сборки, приработки и испытания.

1.2. Влияние приработки на долговечность агрегатов сельскохозяйственных машин

Одним из направлений повышения надежности двигателей является качественная приработка деталей, от которой в период обкатки во многом зависит

-19-

срок службы двигателя и межремонтный ресурс. Известно, что свыше 20 % отказов дизелей приходится на начальный период эксплуатации после заводской обкатки [33-37].

Приработка узлов трения, протекающая на заключительном этапе изготовления или ремонта изделия или в начале эксплуатации, в значительной степени определяет безотказность машины или механизма, особенно на первых этапах их использования. Формирование несущих поверхностных слоев в результате рационально проведенной приработки при минимуме приработочного износа обеспечивает значительное повышение долговечности сопряжения.

Необходимость технологической приработки обусловлена искажением формы деталей в результате механических и термических воздействий, в частности, вследствие различия в характеристиках теплового расширения материала элементов сопряжения, деформаций при затяжке болтовых соединений, прессовых посадок и т. п.

Качество приработки не только зависит от площадей контакта трущихся деталей, но и связано с изменениями поверхностных слоев деталей, приводящими к установлению оптимальных характеристик микро - и субмикрогеомет-рии, микроструктуры, химсостава и пр.

Для достижения полной приработки деталей тракторных и комбайновых дизелей требуется от 30 до 60 ч. Машиностроительные и ремонтные заводы не в состоянии за время стендовой обкатки (1,5...3,5 ч) довести процесс приработки трущихся деталей дизеля до конца. Поэтому основная часть приработки дизелей осуществляется в ходе их начальной эксплуатации с ограниченными на 25 % скоростями и нагрузками, что в условиях эксплуатации очень сложно.

Значительный вклад в развитие и совершенствование технологии ремонта машин и повышение их надежности внесли такие ученые, как М.В. Авдеев, Ф.Н. Авдонькин, Ю.Н. Артемьев, К.А. Ачкасов, Ф. Байхельт, Г.Г. Баловнев, В.Н. Бугаев, Ф.Х. Бурумкулов, Д.Г. Вадивасов, Е.Л. Воловик, М.А. Григорьев, И.Б. Гурвич, Л.В. Дехтеринский, И.Е. Дюмин, И.С. Ждановский, В.И. Казарцев,

-20-

B.Н. Кряжков, B.B. Курчаткин, И.С. Левитский, П.П. Лезин, П.И. Ломоносов, И.И. Луневский, М.А. Масино, H.H. Маслов, В.М. Михлин, H.A. Мишин,

C.С. Некрасов, A.B. Николаенко, Ю.Н. Петров, A.B. Поляченко, Г.К. Потапов,

A.Ш. Рабинович, М.Я. Рассказов, М.М. Севернев, А.Э.Северный, А.И. Селиванов, В .Я. Сковородин, В.П. Суслов, Н.Ф. Тельнов, И.Е. Ульман, М.А. Халфин, С.С. Черепанов, В.И. Черноиванов, В.А. Шадричев, Г.П. Шаронов и др. [33, 36, 38 - 84]. Ими установлено, что улучшая качество поверхностей трения путем разработки и применения рациональных режимов и технологии восстановления деталей, можно значительно повысить долговечность смонтированных сборочных единиц.

Научное и практическое значение в совершенствовании процессов приработки имеют работы С.Г. Арабяна, Н.П. Воинова, И.С. Вороницына, В.А.Владимирова, Л.М. Гаенко, М.А. Григорьева, A.C. Гуревича, В.В. Долбина, В.Г.За-ренбина, В.И. Казарцева, И.Н. Карасика, П.М. Кривенко, P.A. Кугеля, А.Н. Ла-заренко, В.К. Лакина, H.H. Маслова, Е.М. Мухина, С.С. Некрасова, A.B. Николаенко, М.Х. Нигматова, П.И. Носихина, К.В. Рыбакова, П.А. Ребиндера, Н.З.Савченко, В.В. Стрельцова, И.Е. Ульмана, И.А. Холомонова, Н.В. Храмцо-ва, М.М. Хрущова, В.И. Цыпцына, Г.П. Шаронова и др. [20, 34, 51, 85-113].

Несмотря на большое количество исследований, вопросы совершенствования процесса приработки остаются актуальными и в настоящее время.

Большое влияние на уменьшение приработочного и установившегося износа сборочных единиц и их элементов оказывает смазочная среда, и способствующая образованию на поверхностях трения пленок с необходимыми трибо-техническими свойствами. Однако эти вопросы не нашли достаточного отражения в опубликованной информации по технологии ремонта машин.

В работах A.C. Ахматовой, Э.Д. Брауна, В.А. Белого, H.A. Буше,

B.М.Власова. Д.Н. Гаркунова, И.Г. Горячевой, Н.Б. Демкина, Ю.Н. Дроздова, А.Д. Дубинина, Ю.А. Евдокимова, В.Н. Кащеева, Б.И. Костецкого, И.В. Кра-гельского, Н.М. Михина, П.А. Ребиндера, К.В. Фролова, М.М. Хрущова, А.В.Чичинадзе и др. [114-133] показано, что при изменении внешних условий

-21 -

трения происходят качественные превращения в состоянии поверхностного слоя материала и связанные с этим изменения процесса изнашивания. Поэтому одной из главных проблем повышения долговечности сельскохозяйственной техники, сборочных единиц и их элементов является обеспечение высоких три-ботехнических характеристик поверхностных слоев трущихся деталей уже в начальный период их работы.

Анализ исследований Ф.П. Боудена, К.Р. Брейтуэйта, Г.В. Виноградова, И.Э. Виноградовой, В.А. Лашхи, Н.И. Маликова, P.M. Матвиевского, С.С. Некрасова, П.И. Носихина, К.К. Папок, JI.M. Рыбаковой, JI.H. Санина, JI.H. Сен-тюрихиной, В.В. Стрельцова, C.B. Стребкова, Г.П. Шаронова и других ученых [108, 110, 134 - 144] показал, что, применяя специальные добавки в моторные масла, можно значительно повысить долговечность трибосопряжений.

Большое влияние на качество стендовой приработки деталей двигателя и интенсивность изнашивания оказывает физико-химическое состояние моторного масла, которое в процессе использования непрерывно изменяется.

При обкатке двигателя масло в условиях высокой температуры и давления соприкасается с воздухом, продуктами неполного сгорания топлива, водой, пылью, стенками трубопроводов и емкостей, с металлическими поверхностями деталей и продуктами их изнашивания, что приводит к его старению.

Продукты загрязнения масла можно разделить на две группы: органические и неорганические.

Органические примеси состоят в основном из продуктов неполного сгорания топлива, поступающих в масло из камеры сгорания, а также продуктов термического разложения, окисления и полимеризации масла. К ним относятся: различные углеводороды, сажа, смолы, асфальтены, карбены, карбоиды и т. д. [145,146].

Неорганические примеси содержат пылевые частицы (поступающие при транспортировке, хранении или перекачке масла), частицы износа деталей, продуктов срабатывания зольных присадок в маслах, технологических загрязнений (литейная земля, шлак, металлическая стружка), оставшихся после сборки двигателя.

-22-

Наиболыпую опасность представляют частицы, превышающие по твердости материалы трущихся деталей двигателя, а по размерам - толщину смазочной пленки. Они являются абразивом по отношению к этим деталям и вызывают их интенсивный износ [147]. Увеличение износа в процессе приработки деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма всего на 0,005 мм снижает ресурс использования двигателя на 20...30 тыс. км [148].

Органические примеси, находясь в масле в тонкодисперсном состоянии, не только не вызывают износ деталей, но и способствуют его снижению, так как твердость частиц значительно меньше твердости поверхностей трения деталей. Органические примеси покрывают микронеровности на поверхностях трения деталей, что предохраняет их от непосредственного контакта. Так, при добавлении в масло 0,15 % органических примесей износ уменьшается в 2 раза и практ�