автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение долговечности узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники применением триботехнических методов

На правах рукописи

Катков Данила Сергеевич

□□3458

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ УЗЛОВ ТРЕНИЯ МОБИЛЬНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ПРИМЕНЕНИЕМ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1/ г:::::

Саратов 2008

003458532

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Цыпцын Валерий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Межецкий Геннадий Дмитриевич

кандидат технических наук Рачкин Валерий Анатольевич

Ведущая организация - ФГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Защита диссертации состоится «30» января 2009 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова».

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл. 1, учёному секретарю диссертационного совета.

Автореферат диссертации разослан декабря 2008 г. и размещён на сайте: www.sgau.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета

Н.П. Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективность работы сельскохозяйственной техники зависит, главным образом, от ее надежности -способности выполнять заданные функции с минимальными затратами труда и материальных средств в течение длительного времени. Простои техники, вызванные устранением отказов, приводят к затягиванию агротехнических сроков проведения полевых работ, в результате чего теряется до 15-30 % урожая сельскохозяйственных культур. При наличии в нашей стране огромных посевных площадей даже небольшое снижение показателей надежности приносит значительные убытки сельскому хозяйству.

Наибольшую опасность при эксплуатации мобильной сельскохозяйственной техники представляет период трогания машины, когда на рабочих поверхностях деталей узлов трения скольжения отсутствует сплошная масляная пленка.

Применение смазочных материалов с нанодисперсными присадками решает проблему износа ресурсоопределяющих узлов мобильной сельскохозяйственной техники в период граничного трения и неустановившегося гидродинамического режима смазки лишь частично. Более значительно снизить интенсивность изнашивания позволяет наличие антифрикционных покрытий.

В работе теоретически обоснована и решена задача повышения эффективности использования мобильной сельскохозяйственной техники путем применения финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) в сочетании с добавлением в смазочный материал металлоплакирующих нанодисперсных присадок, обеспечивающих работоспособность и долговечность трущихся деталей в эксплуатации.

Таким образом, повышение долговечности ресурсоопределяющих узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники за счет использования эффективных триботехнических методов является актуальной научной и практически значимой задачей.

Исследования были проведены в соответствии с планом развития Саратовской области по выполнению научного направления 1.2.9. «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в агропромышленном комплексе Поволжского экономического региона на 20 лет до 2010 года» (№ гос. регистрации 840005200) и комплексной темой № 5 НИР Саратовского госу-

дарственного аграрного университета им. Н.И.Вавилова «Повышение надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве».

Цель работы - повышение долговечности узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники путем использования антифрикционного покрытия в сочетании с добавлением в смазочный материал металлоплакирующих нанодисперсных присадок.

Объект исследования - узлы трения зерноуборочных комбайнов СК-5 «Нива», «Дон-1200», «Дон-1500Б», «Енисей-1200».

Методика исследований включала в себя анализ ресурса и работоспособности мобильной сельскохозяйственной техники; теоретическое обоснование повышения надежности и эффективности машин за счет применения в узлах трения скольжения финишной антифрикционной безабразивной обработки и металлоплакирующих нанодисперсных присадок к смазочному материалу; лабораторные и эксплуатационные испытания исследуемых антифрикционных покрытий и смазочных материалов в узлах трения зерноуборочных комбайнов.

Эксплуатационные испытания проводили с целью выявления эффективности комбинирования антифрикционного покрытия с применением модифицированного смазочного материала в полевых условиях. В процессе исследований были использованы современные вычислительные методы, рентгенофазовый анализ, высокоточные измерительные приборы и персональная компьютерная техника.

Научные положения и результаты работы, выносимые на защиту:

• Теоретические предпосылки повышения долговечности узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники путем применения ФАБО в сочетании с добавлением наноприсадок в смазочный материал.

• Математическая модель повышения долговечности трущихся деталей мобильной сельскохозяйственной техники за счет использования финишной антифрикционной безабразивной обработки и металлоплакирующих нанодисперсных присадок к смазочному материалу, содержащих медь и олово.

• Результаты испытаний триботехнических и эксплуатационных испытаний антифрикционных покрытий и смазочных композиций.

• Рекомендации по повышению ресурса и эффективности использования автотракторных дизелей и поршневых пневмоком-прессоров.

Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к решению задачи повышения долговечности мобильной сельскохозяйственной техники и обеспечения работоспособности трущихся сопряжений за счет финишной антифрикционной безабразивной обработки в сочетании с добавлением в смазочный материал металлоплакирующих нанодисперсных присадок, к анализу и обобщению теоретических положений и закономерностей, в результате которых:

• предложена структурная схема ДВС, позволяющая выделить параметры и факторы, влияющие на ресурс подсистем и двигателя в целом;

• разработана математическая модель повышения долговечности трущихся деталей мобильной сельскохозяйственной техники путем использования финишной антифрикционной безабразивной обработки и металлоплакирующих нанодисперсных присадок к смазочному материалу, содержащих медь и олово;

• разработана компьютерная программа прогнозирования долговечности узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники за счет улучшения и совершенствования процесса приработки;

• разработаны рекомендации и комплекс средств по повышению ресурса и эффективности использования автотракторных дизелей и поршневых пневмокомпрессоров.

Практическая ценность. Предложен и внедрен в производство комплекс мероприятий и конструктивных разработок, которые позволяют:

• повысить качество приработки, сократив продолжительность и увеличив ее эффективность, а также снизить начальный (приработочный) и установившийся износ трущихся деталей жатки, молотильного аппарата и ходовой части зерноуборочных комбайнов в 1,3-1,5 раза;

• снизить износ поверхностей трения гильз цилиндров и шеек коленчатых валов ДВС в 1,4-1,6 раза;

• повысить наработку на отказ и ресурс машин при прогнозировании на 40-60 %;

• получить от внедрения ФАБО в сочетании с добавлением в смазочные материалы металлоплакирующих нанодисперсных присадок годовой экономический эффект 165 392 руб.

Пути реализации работы. Результаты исследований могут быть использованы на сельскохозяйственных и других предприятиях Министерства сельского хозяйства РФ при определении состава антифрикционного покрытия и режимов нанесения его в сочетании с металлоплакирующими нанодисперсными присадками к смазочным материалам, в конструкторских бюро предприятий сельскохозяйственного машиностроения, на ремонтно-технических предприятиях, машинно-технологических станциях, в акционерных обществах и фермерских хозяйствах, а также в учебном процессе вузов аграрного образования при изучении курса «Триболо-гические основы повышения ресурса мобильной сельскохозяйственной техники».

Внедрение, Разработанные в диссертации модернизированное устройство (патент № 75659) и триботехнические методы повышения эффективности и ресурса узлов трения зерноуборочных комбайнов внедрены на ряде предприятий Саратовской области:

• в ООО «Деметра» (Новобурасский район Саратовской области);

• в ГОУ НПО «Профессиональное училище № 59» (р.п. Базарный Карабулак Саратовской области);

• в ОАО «Ремонтный завод «Хоперский» (г. Балашов Саратовской области).

По результатам исследований разработаны и утверждены рекомендации по повышению ресурса и эффективности использования автотракторных дизелей и поршневых пневмокомпрессоров.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов СГАУ в 2005-2008 гг.; ежегодном Межгосударственном постоянно действующем научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (Саратов, 2008 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 научных работах. Общий объем публикаций - 4,9 печ. л., из которых 2,4 печ. л. принадлежит лично соискателю. Одна работа опубликована в издании, входящем в перечень ВАК Минобразова-

ния и науки РФ. Получен патент РФ № 75659 от 20.08.2008 г. на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 191 странице машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, общих выводов, содержит 60 рисунков, 18 таблиц и приложения. Список использованной литературы включает в себя 171 наименование, в том числе 6 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во «Введении» обоснована актуальность темы и изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования» проведён анализ конструкторских, технологических и эксплуатационных способов повышения долговечности трибосопря-жений мобильной сельскохозяйственной техники. Данную проблему изучали такие ученые, как Ю.Н. Артемьев, М.Н. Ерохин, Б.П. Загородских, В.И. Казарцев, И.С. Левитский, Ю.Н. Ломоносов, В.П. Лялякин, В.М. Михлин, С.С. Некрасов, А.В. Поляченко, П.А. Ребиндер, М.М. Северный, А.И. Селиванов, В.В. Стрельцов, Н.Ф. Тельнов, Н.Е. Ульман, В.В. Сафонов, В.И. Цыпцын, Г.П. Шаронов, С.С. Черепанов и др.

Анализ обеспеченности АПК Саратовской области сельскохозяйственной техникой говорит о необходимости повышения ее надежности в период эксплуатации и ремонта.

Оптимизация выбора покрытий, наносимых на узлы трения мобильных сельскохозяйственных машин, представляет наиболее перспективный и экономичный путь увеличения их работоспособности и ресурса. Одним из методов повышения долговечности трибосоп-ряжений мобильной сельскохозяйственной техники является применение финишной антифрикционной безабразивной обработки.

Изучением финишной антифрикционной безабразивной обработки занимались многие отечественные и зарубежные ученые. Среди них В.И. Балабанов, Ф.Х. Бурумкулов, Л.И. Куксенова, С.С. Некрасов, Г. Польцер, Г.К. Потапов, В.Г. Куранов, А.К. Прокопенко, Л.М. Рыбакова, И.Х. Чеповецкий и др.

Установлено, что от финишной обработки деталей зависит не только первоначальная, приработочная, но и последующая интенсивность изнашивания при эксплуатации.

Интенсивность изнашивания и касательное контактное напряжение в общем случае выражаются зависимостями:

где А - величина изношенного слоя; Ь - путь трения скольжения; т0 -сопротивление сдвигу; р - обобщенная характеристика пограничного слоя; ст„- нормальное контактное напряжение.

Анализируя выражения (1), видим, что для снижения интенсивности изнашивания трущихся деталей необходимо применять антифрикционные покрытия с наименьшими значениями сопротивления сдвигу. Толщина антифрикционных покрытий должна быть оптимальной, так как с ее ростом интенсивность изнашивания будет увеличиваться.

Таким образом, как показывает анализ литературных источников, применение антифрикционных покрытий целесообразно при следующем условии:

где Д - толщина антифрикционного покрытия, мкм; т0 - сопротивление сдвигу, H; а - пьезокоэффициент; рк - контактное давление на поверхности трения, Па; г - радиус кривизны микронеровностей, мкм; ст- предел текучести материала сопряжения, Па.

На основании анализа литературных источников и поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Дать анализ работоспособности и долговечности мобильной сельскохозяйственной техники и обосновать триботехниче-ские методы повышения ресурса трущихся деталей.

2. Теоретически обосновать применение ФАБО в сочетании с добавлением в смазочный материал металлогшакирующих нано-дисперсных присадок, обеспечивающих повышение ресурса три-босопряжений мобильной сельскохозяйственной техники.

3. Провести сравнительные триботехнические испытания экспериментальных покрытий и смазок на машине трения ИИ 5018.

4. Выполнить производственную проверку разработанных рекомендаций и дать их технико-экономическую оценку.

Во второй главе «Теоретические предпосылки повышения долговечности трибосопряжений мобильной сельскохозяйствен-

(1)

ной техники» представлено математическое моделирование повышения долговечности трущихся деталей мобильной сельскохозяйственной техники за счет применения финишной антифрикционной безабразивной обработки и металлоплакирующих нано-дисперсных присадок к смазочному материалу, содержащих медь и олово. Также представлена структурная схема ДВС.

Износ детали можно рассматривать как функцию времени ¿7(7), которая не монотонна, а делится на 3 участка: I - период начального износа (приработка трущихся деталей); II - период установившегося износа; III- период аварийного износа (рис. 1).

Рассмотрим участок опт на кривой износа. Он соответствует равномерно-замедленному процессу изнашивания. Зависимость можно представить в виде:

и(Т) = а(Т-Тт)с + Ь, (3)

где а, Ь, с - коэффициенты; Т - переменное; Тт - наработка до точки т, находящейся между Гп и Тк; ТП - время приработки; Тк -наработка до форсированного (аварийного) износа.

и(Х)

Экспертные оценки методов интенсификации и улучшения приработки ДВС, приведенные в работе, показали, что основное предпочтение отдается триботехническим методам, которые включают в себя подбор оптимальной шероховатости, введение

присадки в смазочное масло; нанесение приработочных ФАБО-покрытий; разработку оптимальных режимов; обезвоживание моторного масла и т.п.

В дальнейших рассуждениях были выбраны факторы: х\ - присадки к маслу; х2 - нанесение приработочных ФАБО-покрытий; х3 -обезвоживание моторного масла. Эти факторы значительно влияют на интенсификацию и улучшение приработки трибосопряжений.

Рассмотрим функцию и(Т) с учетом хи х2, х3> когда х, ф О, х2 Ф О, х3 ф О, т.е. ЩТ, х,) = 1/(Т):

их(Т) = итК

1-

1-

ТК

К

(4)

Коэффициент с характеризует изменение скорости износа в период приработки. Чем он больше, тем интенсивнее приработка. К - коэффициент, учитывающий физико-механические свойства поверхностного слоя трущихся деталей, условия трения и смазки:

£ „^-(а^ + аг^ + иЛ) (5)

Коэффициенты аь а2, а3 рассчитываем по методу наименьших квадратов:

Л',

I

'=1:

а, =-

1п

{/(Г)

.г/,'<П

> а, =-

1п

ЩТ')

и*(Г)

и

1=1

Л'> 1=1

' а, =-

§ 1п (щт') V

1=1 [и-(Г)}

2Х

. (6)

Рассмотрим примеры. Допустим, что С/п= 15 мкм (величина износа за время приработки), 11т = 20 мкм (величина износа за время установившейся работы трибосопряжения), Т„ = 10 ч, Т,„ = 1000 ч. Данные для факторов:

*}=5, и'1 (Г) = 12 |х!= ОД и'>(Т') = 10|х]=1, и,Хз(Т') = 18; х!=10, игх,(Т') = \0 |х,2 =1, и2*(Т') = 9 | х32 =5, У/'(П = 20; =15, изх'(Т')= 8 1^=1,2, £/,*»(Г) = 8 |л*' = 10, и*'(Т') = 26,

где Г*- наработка, при которой получены значения износа в зависимости от значений фактора, Т* = 10 ч. Определяем си , а2 , а3 из выражений (6):

10

а.

И*

12

+ 1п

5 + 10 + 15

1п

а, = -

+ 1п

11 9)

+1п;

8 ,

0,8 + 1 + 1,2 15^ , (15^

=0,042;

= 0,515;

1п — | + 1п| —| + 1п[ — 18; 1,20; 126

= -0,064.

1+5 + 10

Отрицательное значение аз говорит о том, что существует обратная связь: чем больше воды, тем хуже. Рассчитываем коэффициент с:

К'-Ю

1п 1-

10 1000

= 68,97.

Имеем окончательную зависимость II (Т, Х\, хг, х3):

их(Т) = 20К

1-

1-

тк 1000

1000 к

При этом с = 68,97, а к =

Пусть факторы х\ ... имеют следующие значения:

X] = 1,5 % (присадка к маслу);

Х2 - 2 мкм (толщина покрытия);

= 1 % (обводненность масла).

Тогда /с = е-<0'042 ,'5+0-5,У2-°'ш-,) = е-Ш9 ^0,36.

Если наработка без учета факторов была Т„, = 1000 ч, то с учетом Х\ ... ДГз

Г = Т^К = 100/0,36 2 2778 ч.

Если износ был и„, = 20 мкм, то с учетом факторов и* = = 20-0,36 = 7,2 мкм.

Приведенная математическая модель позволяет определить влияние выбранных факторов на величину начального и установившегося износа деталей трибосопряжений и прогнозировать долговечность (ресурс) двигателя в целом за счет улучшения и совершенствования процесса приработки.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» приведены общие и частные методики исследования с обоснованием выбора антифрикционного покрытия, рабочей среды и введения в масло нанодисперсной присадки. Представлена структурная схема исследований, а также описываются оборудование и устройства, применяемые при испытаниях.

Программа экспериментальных исследований включала в себя лабораторные и эксплуатационные испытания, которые проводились в несколько этапов.

На первом этапе изучали состояние, фактический уровень надежности узлов трения зерноуборочных комбайнов; анализировали причины отказов; показывали целесообразность применения антифрикционных покрытий и металлоплакирующих присадок к маслу. В результате были определены цель и задачи исследования, а также намечены пути их решения.

На втором этапе проводили обобщение полученной информации и теоретическую разработку методов решения поставленных задач.

Третий этап включал в себя комплекс экспериментальных исследований:

• исследования показателей долговечности узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники;

• исследования физико-механических характеристик рабочих поверхностей образцов и деталей основных сопряжений мобильной сельскохозяйственной техники;

• триботехнические испытания на модернизированной машине трения;

• исследования антифрикционных покрытий и экспериментальных смазок в условиях реальной эксплуатации.

Сравнительные лабораторные триботехнические испытания проводились на машине трения ИИ 5018 по схеме «ролик - самоустанавливающаяся колодка». Образцы для испытания изготовляли из конструкционных материалов пар трения сельскохозяйственных машин. Испытания проходили при постоянной частоте вращения ролика, равной 500 мин-1. Контактное давление в паре составляло 1,0 МПа при нагрузке Р =1000 Н и площади контакта 5= 1 см2. В качестве смазки было выбрано масло М-Ю-Г2. Смазка осуществлялась контактом ролика с маслом, размещенным в специальной емкости. Нагружение в контакте образцов создается

винтовым нагружающим устройством. В процессе испытания регистрировали частоту вращения, момент трения, температуру.

Износ образцов определяли по массе на электронных весах Satorius 1201 МР2. Для измерения малых величин износа рабочих поверхностей применяли профилограф-профилометр модели 201 завода «Калибр». Момент трения регистрировался потенциометром КСП-4. Для измерения температуры смазочного материала и поверхности трения использовали лабораторный термометр (цена делении 0,5 °С) и пирометр «Салют-С».

Для определения структуры поверхностного слоя образцов и подтверждения индивидуальности полученных соединений проводили рентгенофазовый анализ. Съемку рентгенограмм осуществляли на дифрактометре ДРОН-3,0

По результатам лабораторных испытаний были выбраны наиболее эффективные антифрикционные покрытия и металлоплаки-рующие добавки в масло, которые подвергались эксплуатационным испытаниям.

Эксплуатационные испытания зерноуборочных комбайнов «Нива», «Енисей», «Дон» проводили на ряде предприятий Саратовской области. Сбор технико-экономической информации осуществляли в условиях использования комбайнов на сельскохозяйственных работах по утвержденной учетной документации.

Обработку результатов экспериментов выполняли методами математической статистики и на ЭВМ.

В четвертой главе «Экспериментальные исследования и их результаты» приведены результаты лабораторных триботехниче-ских испытаний экспериментальных антифрикционных покрытий, и смазок.

Из рис. 2 видно, что момент трения при испытании сульфомо-либдированных роликов снижался и стабилизировался через 120-150 мин, в то время как при испытании роликов без покрытия -через 160-200 мин, а подвергнутых ФАБО и испытанных на масле с добавлением нанодисперсной присадки ПМО-2 - через 80-90 мин.

Результаты износных испытаний чугунных роликов с покрытиями и без покрытий на машине трения ИИ 5018 представлены на рис. 2, б, из которого следует, что износ сульфомолибдирован-ных образцов в 1,13 раза, а с ФАБО и присадкой в 1,5-1,8 раза ниже, чем у образцов без покрытия..

О обршиы су льфмл о гч>я ировоювл

□ о доОввлвмием ПМО-2 ■ меся»

□ с ФАБО-Т>ы»«*м

тс ФЛВо-пакригиалгмаоОватчиемпмог а

Рис. 2. Изменение момента трения (а) и износа (б) при испытании образцов на машине трения

Согласно изложенному можно сделать вывод, что поверхности с покрытиями, испытанные на масле с нанодисперсной присадкой, прирабатываются лучше, чем исходные.

У образцов с ФАБО-покрытием момент трения ниже, чем у сульфомолибдированных ролика с колодкой. В то же время во всех случаях значения этого параметра значительно ниже, чем у необработанных пар.

При анализе состояния рабочих поверхностей образцов после испытаний было установлено, что образцы, подвергнутые ФАБО и ФАБО с добавлением наноприсадки ПМО-2, имели более высокий класс шероховатости (соответственно II, = 0,28 и Ял = 0,18 мкм), чем остальные.

На рис. 3, а представлены результаты исследований изменения температуры в зависимости от времени испытания. Из рисунка видно, что поверхности с ФАБО-покрытиями прирабатываются лучше, чем сульфомолибдированные и без покрытия. Это подтверждается пониженным значением их температуры по сравнению с другими образцами. Если температура в период испытаний у необработанных пар была 115... 125 °С, то у пар с ФАБО, испытанных на масле с присадкой, она в период установившегося трения составила 80 °С.

Понижение в процессе трения температуры поверхностей с приработочными покрытиями можно объяснить тем, что медные и сульфидные соединения в поверхностных слоях способствуют устранению очагов схватывания, уменьшают и облегчают дефор-

мирование соприкасающихся микронеровностей, а также лучше адсорбируют смазку на поверхности.

Рис. 3. Изменение температуры (а) и результаты на схватывание (б) при испытании образцов на машине трения

Исследованию на противозадирную стойкость подвергались образцы по схеме «ролик - самоустанавливающаяся колодка» в режиме граничного трения.

В качестве критериев оценки противозадирной стойкости были приняты величина и характер изменения момента трения и состояние поверхностей трения образцов в процессе испытаний. Результаты испытаний, приведенные на рис. 3, б, показали, что схватывание образцов трения без приработочного покрытия наступило через 10 мин при нагрузке 0,7 кН и моменте трения 1,3 кН-см, образцов с сульфо-молибдированным покрытием - через 16 мин при 1,1 кН и 1,2 кН-см. Нагрузка схватывания пар образцов с ФАБО-покрытием, испытанных на масле с наноприсадкой ПМО-2, была выше в 1,9 раза.

Причем качество поверхности образцов без покрытия с наступлением схватывания резко ухудшается, она становится более шероховатой, появляются мостики схватывания.

Повышенная противозадирная стойкость образцов с прирабо-точными покрытиями обеспечивается соединениями меди и молибдена, которые, обладая хорошей пластичностью, предотвращают контактное схватывание и задиры.

Дифрактограмма образца с ФАБО-покрытием, приработанного на масле с присадкой ПМО-2, представлена на рис. 4. На рабо-

чей поверхности образца возникает особая текстура с интенсивностью основного рефлекса «110», которая (по сравнению с эталоном) значительно увеличивается, что можно объяснить реализацией в процессе приработки эффекта Киркендала, когда в начальной стадии трения при возрастании скорости диффузии поток диффундирующих к поверхности атомов легирующих компонентов основного металла a-Fe идет интенсивнее, чем поток атомов меди. Наличие диффузии элементов меди и олова 1,4 мкм, а также высокая их концентрация - Си - 15 % , Sn - 25 % (пики Cu: din = 2,080; 1,802; 1,274; a-Sn: din = 3,755; 2,318; 1,958; 1,484; 1,328; P-Sn: din = 2,950; 2,797) свидетельствуют о реализации эффекта избирательного переноса, что обеспечивает низкий коэффициент трения и малый износ образцов.

Рис. 4. Дифрактограмма образца с ФАБО-покрытием, испытанного на масле с присадкой ПМО-2

В пятой главе «Эксплуатационные испытания. Внедрение результатов исследования в производство и их технико-экономическая оценка» представлены данные эксплуатационных испытаний, на основе которых выполнена оценка экономической эффективности применения антифрикционного покрытия гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания мобильной сельскохозяйственной техники на примере двигателя ЯМЭ-236.

Эксплуатационные испытания проводились на трех предприятиях Саратовской области: ООО «Деметра» (Новобурасский район Саратовской области), ГОУ НПО «Профессиональное училище № 59» (р.п. Базарный Карабулак Саратовской области), ОАО «Ремонтный завод «Хоперский» (г. Балашов Саратовской области) в период с июня по сентябрь 2008 г. Испытывали узлы трения зерноуборочных комбайнов СК-5 «Нива», «Дон-1200», «Дон-1500Б», «Енисей-1200». Предлагаемые триботехнические методы позволили снизить износ деталей жатвенной части, молотилок, а также ходовой части зерноуборочных комбайнов с покрытием и присадкой в 1,3-1,5 раза, а износ поверхностей трения гильз цилиндров и шеек коленчатых валов ДВС - в 1,4-1,6 раза. Также можно констатировать повышение давления масла в главной магистрали двигателей при номинальной частоте вращения коленчатого вала за счет улучшения условий работы сопряжения, снижение утечек, сокращение времени простоя по причине отказа рассматриваемых трибосопря-жений, повышение производительности машин на 12-18%. При внимательном визуальном рассмотрении можно было убедиться в отсутствии задиров и царапин на деталях при использовании ФА-БО-покрытий и нанодисперсной присадки ПМО-2.

Годовой экономический эффект от внедрения разработанных рекомендаций по повышению ресурса мобильной сельскохозяйственной техники составил 165392 руб. (в ценах 2008 г.).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных источников показал, что ресурс и работоспособность агрегатов мобильной сельскохозяйственной техники зависят от качества ее конструирования, изготовления, ремонта и эксплуатации. Известно, что 35-45 % отказов мобильной сельскохозяйственной техники приходятся на двигатель, а большее число отказов зерноуборочных комбайнов - на сборочные единицы: жатку (48,5%) и механические передачи (13,4%). Установлено, что триботехническими методами, в частности применением ФАБО-покрытий, можно увеличить ресурс трибосопря-жений мобильной сельскохозяйственной техники на 50-70 %.

2. Предложена структурная схема ДВС, позволяющая выделить параметры и факторы, влияющие на ресурс подсистем и дви-гателв в целом. На ее основе разработана математическая модель

повышения долговечности трущихся деталей мобильной сельскохозяйственной техники за счет применения финишной антифрикционной безабразивной обработки и металлоплакирующих нано-дисперсных присадок к смазочному материалу, содержащих медь и олово. Разработана компьютерная программа прогнозирования долговечности узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники за счет улучшения и совершенствования процесса приработки.

3. Сравнительный анализ опытных пар образцов с антифрикционными покрытиями и смазочных сред, испытанных на машине трения ИИ 5018, показал, что наиболее высокими противоизнос-ными и противозадирными свойствами обладают ФАБО-покрытия с наноприсадкой ПМО-2 к смазочному материалу. Установлено, что время приработки сократилось в 1,5-2,0 раза, износ опытных образцов снизился в 1,5-1,8 раза, а нагрузка схватывания увеличилась в 1,9 раза. Методом рентгенофазового анализа установлено образование дискретной пленки меди на поверхностях трения. Глубина диффузии атомов меди и олова составила 1,4 мкм.

4. Эксплуатационные испытания показали, что ФАБО обеспечивает снижение износа деталей жатвенной части, молотилок, а также ходовой части зерноуборочных комбайнов в 1,3-1,5 раза, а поверхностей трения гильз цилиндров и шеек коленчатых валов ДВС - в 1,4-1,6 раза, что позволяет повысить прогнозируемый ресурс трибосопряжений мобильной сельскохозяйственной техники (зерноуборочных комбайнов СК-5 «Нива», «Дон-1200», «Дон-1500Б», «Енисей-1200») в 1,3-1,5 раза.

5. Годовой экономический эффект от внедрения разработанных триботехнических методов и рекомендаций при восстановлении деталей ДВС на ОАО «Ремонтный завод «Хоперский» составил 165392 руб. (в ценах 2008 г.) в результате повышения ресурса и обеспечения работоспособности мобильной сельскохозяйственной техники.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

I. Капков, Д. С. Финишная антифрикционная безабразивная обработка / Д С. Катков // Вавиловские чтения - 2004 : материалы Всерос. науч.-практ. конф. Секция механизации и электрификации сельского хозяйства / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2004 - С. 53-55 (0,13 печ. л.).

2. Катков, Д. С. Восстановление поверхностей методом финишной антифрикционной безабразивной обработки / Д. С. Катков, В. И. Цыпцын// Современные технологии в машиностроении : сб. ст. / под ред. Е. А.Чуфистова, В. Д. Дорофеева / Приволжский дом знаний. - Пенза, 2004 - С. 34-36 (0,19/0,09 леч. л.).

3.Катков, Д. С. Метод ФАБО при восстановлении гильз цилиндров двигателей ЭМЗ-53 / Д. С. Катков // Материалы конф. по итогам науч.-исслед. и производственной работы студентов за 2004 год / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». -Саратов, 2005 -С. 245-248 (0,19 печ. л.).

4. Катков, Д. С. Применение ФАБО при восстановлении деталей двигателей внутреннего сгорания / Д. С. Катков // Вавшювские чтения - 2006 : материалы Все-рос. науч.-пракг. конф. Секция механизации и электрификации сельского хозяйства / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2006 - С. 96-99 (0,19 печ. л.).

5. Катков, Д. С. Теоретические предпосылки повышения долговечности трибосопряжений мобильной сельскохозяйственной техники применением финишной антифрикционной безабразивной обработки / Д. С. Катков, В. И. Цып-цын, М. В. Цыпцын // Логистика и экономика^ ресурсо- и энергосбережения в промышленности (МНПК «ЛЭРЭП-2 - 2007») : сб. науч. тр. по материалам Ме-ждунар. науч.-практ. конф. / ФГОУ ВПО «Сарат. гос. техн. ун-т». - Саратов, 2007. - С. 131-135 (0,45/0,2 печ. л.).

6. Катков, Д. С. Рекомендации ло повышению ресурса и эффективности использования автотракторных дизелей и поршневых пневмокомпрессоров / Д. С. Катков, В. И. Цыпцын, С. В. Истомин, М. В. Цыпцын, Н. А. Родин, А. А. Ерышев; ФГОУ ВПО «Сарат. ГАУ» / ПМФ ФГУ «ВНИИ охраны и экономики труда» Росздрава. - Саратов, 2008 - 35 с. (2,1/0,9 печ. л.).

7. Катков, Д. С. Износостойкость трибосопряжений пневмокомпрессора автомобиля КамАЗ и обоснование метода повышения их долговечности / Д. С. Катков, Н. А. Родин, В. И. Цыпцын, М. В. Цыпцын // Известия ФГОУ ВПО «Самар. гос. с.-х. акад.». - Самара, 2008. - Вып. 3. - С. 120-123 (0,45/0,2 печ. л.).

8. Катков, Д. С. Выбор и обоснование упрочняющего антифрикциоиного покрытия ресурсоопределяющих соединений тягово-сцепных устройств в трактор-но-транспортных агрегатах / Д. С Катков, Н. А. Родин, В. И. Цыпцын, М. В. Цыпцын // Известия ФГОУ ВПО «Самар. гос. с.-х. акад.». - Самара, 2008. - Вып. 3. - С. 123-127 (0,45/0,2 печ. л.).

9. Катков, Д. С. Повышение долговечности ДВС мобильной техники на основе системного анализа пар трения / Д. С. Катков, В. И. Цыпцын // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - 2008. - Вып. 7. - С. 69-73 (0,45/0,2 печ. л.).

10. Пат. 75689 Российская Федерация, МПК С 23 С 24/02. Устройство.для финишной антифрикционной безабразивной обработки шеек коленчатых валов / Цыпцын В. И., Катков Д. С., Родин Н. А., Цыпцын М. В. - № 2008107450/22 ; заявл. 26.02.2008 ; опубл. 20.08.2008, Бюл. № 23. - 4 с.: ил.

Подписано к печати ] 6.12.2008г. Формат 60x84/1 б. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл.печл.1. Тираж 100. Заказ №996.

Отпечатано с оригинал-макета в ООО «Принт-Клуб» 410026, г.Саратов, ул.Московская 160. Тел.: (8452) 507-888

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ работоспособности и долговечности мобильной сельскохозяйственной техники

1.2 Изнашивание трущихся сопряжений зерноуборочных комбайнов

1.3 Ресурсосберегающие триботехнические методы повышения работоспособности и долговечности пар трения мобильной сельскохозяйственной техники

1.4 Финишная антифрикционная безабразивная обработка как метод обеспечения работоспособности и повышения ресурса мобильной сельскохозяйственной техники

1.5 Выводы. Цель и задачи исследования

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ МОБИЛЬНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

2.1 Теоретические предпосылки реализации избирательного переноса в трибосопряжениях мобильной сельскохозяйственной техники

2.2 Системный анализ узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники

2.3 Моделирование процессов изнашивания трущихся деталей мобильной сельскохозяйственной техники и прогнозирование их ресурса

2.4 Выводы по главе

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Структурная схема исследований

3.2 Обоснование и выбор антифрикционного покрытия при экспериментальных исследованиях

3.3 Обоснование и выбор рабочей среды при нанесении антифрикционного покрытия методом ФАБО

3.4 Обоснование и выбор нанодисперсной присадки к маслу

3.5 Влияние антифрикционного покрытия и нанодисперсной присадки к маслу на смачиваемость поверхности

3.6 Методика триботехнических испытаний 117 3. 7Методика проведения эксплуатационных испытаний 130 3.8 Обработка экспериментальных данных и оценка точности измерения

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ РЕЗУЛЬТАТЫ

4.1 Триботехнические испытания на машине трения ИИ

4.1.1 Изменение триботехнических характеристик образцов при испытании на машине трения

4.1.2 Исследование температуры поверхностного слоя и испытания приработанных образцов на схватывание

4.2 Износные испытания

4.3 Коррозионная стойкость

4.4 Исследование поверхностей трения образцов

4.5 Выводы по главе

5 ЭКСПЛУАТАЦИОНЫЕ ИСПЫТАНИЯ. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВО И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

5.1 Результаты эксплуатационных испытаний и внедрение результатов исследований в сельскохозяйственное производство

5.2 Расчет экономической эффективности технологии ФАБО

5.2.1 Расчет себестоимости ФАБО гильз цилиндров

5.2.2 Расчет годового экономического эффекта

Одной из причин кризисного состояния современного сельского хозяйства России является ухудшение его технического оснащения. Снижение качественных и количественных показателей МТП привело к резкому увеличению нагрузки на технику и снижению ее надежности. Важным резервом повышения качества ремонта тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин, экономии материальных и других ресурсов является применение прогрессивных технологических процессов восстановления деталей, обеспечивающих повышение ресурса отремонтированных машин.

Ежегодно из-за неисправностей и износа простаивает от 10 до 40 % машин и оборудования [1]. Применение прогрессивных технологий при ремонте изношенных деталей в 4-6 раз сокращает количество операций по сравнению с их изготовлением, в 20-30 раз снижает расход материалов, а себестоимость восстановления и упрочнения многих деталей составляет 6080 % от себестоимости изготовления новых, что крайне важно в условиях экономии сырья, топливно-энергетических, материальных и трудовых ресурсов [2].

Эффективность работы сельскохозяйственной техники зависит, главным образом, от ее надежности - способности выполнять заданные функции с минимальными затратами труда и материальных средств в течение длительного времени. Простои техники, вызванные устранением отказов, приводят к затягиванию агротехнических сроков проведения полевых работ, в результате чего теряется до 15-30 % урожая сельскохозяйственных культур. При наличии в нашей стране огромных посевных площадей даже небольшое снижение показателей надежности приносит значительные убытки сельскому хозяйству. Запаздывание с посевом яровых культур (например, в случае отказа техники) на 5 дней ведет к снижению урожая на 3,3 ц/га [3,4].

Работоспособность и ресурс сельскохозяйственных машин в значительной степени определяются интенсивностью изнашивания трущихся деталей. Опыт эксплуатации свидетельствует, что 80-90 % деталей машин выходят из строя по причине износа [5]. Известно, что правильно выбрав материал и покрытие трибосопряжений, можно значительно повысить износостойкость и долговечность узлов трения при эксплуатации. Оптимизация выбора покрытий узлов трения мобильных сельскохозяйственных машин представляет наиболее перспективный и экономичный путь повышения их работоспособности и ресурса. Одним из методов повышения долговечности трибосопряжений мобильной сельскохозяйственной техники является применение финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО).

Установлено, что от финишной обработки деталей зависит не только первоначальная, приработочная, но и последующая интенсивность изнашивания при эксплуатации.

Методом ФАБО восстанавливают детали ЦПГ: шейки валов, гильзы цилиндров, различные втулки, валы.

Одним из главных преимуществ ФАБО являются сравнительная простота и универсальность способа, что позволяет использовать данный метод как в крупном машиностроительном предприятии с массовым производством, так и в небольшом автотранспортном предприятии [6].

ФАБО обеспечивает повышение износостойкости деталей в 1,5-2 раза, антифрикционных и противозадирных свойств трущихся поверхностей, а т.е. является эффективным методом повышения долговечности деталей машин [6].

В работе теоретически обоснована и решена задача повышения эффективности использования мобильной сельскохозяйственной техники путем применения финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) в сочетании с добавлением в смазочный материал металлоплакирующих нанодисперсных присадок, обеспечивающих работоспособность и долговечность трущихся деталей в эксплуатации.

Исследования были проведены в соответствии с планом развития

Саратовской области по выполнению научного направления 1.2.9. «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в агропромышленном комплексе Поволжского экономического региона на 20 лет до 2010 года» (№ гос. регистрации 840005200) и комплексной темой № 5 НИР Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И.Вавилова «Повышение надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве».

Цель работы. Повышение долговечности узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники путем использования антифрикционного покрытия в сочетании с добавлением в смазочный материал металлоплакирующих нанодисперсных присадок.

Объект исследований. Узлы трения зерноуборочных комбайнов СК-5 «Нива», «Дон-1200», «Дон-1500Б», «Енисей-1200».

Методика исследований включала в себя анализ ресурса и работоспособности мобильной сельскохозяйственной техники; теоретическое обоснование повышения надежности и эффективности машин за счет применения в узлах трения скольжения финишной антифрикционной безабразивной обработки и металлоплакирующих нанодисперсных присадок к смазочному материалу; лабораторные и эксплуатационные испытания исследуемых антифрикционных покрытий и смазочных материалов в узлах трения зерноуборочных комбайнов.

Эксплуатационные испытания проводили с целью выявления эффективности комбинирования антифрикционного покрытия с применением модифицированного смазочного материала в полевых условиях. В процессе исследований были использованы современные вычислительные методы, рентгенофазовый анализ, высокоточные измерительные приборы и персональная компьютерная техника.

Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к решению задачи повышения долговечности мобильной сельскохозяйственной техники и обеспечения работоспособности трущихся сопряжений за счет финишной антифрикционной безабразивной обработки в сочетании с добавлением в смазочный материал металлоплакирующих нанодисперсных присадок, к анализу и обобщению теоретических положений и закономерностей, в результате которых:

• предложена структурная схема ДВС, позволяющая выделить параметры и факторы, влияющие на ресурс подсистем и двигателя в целом;

• разработана математическая модель повышения долговечности трущихся деталей мобильной сельскохозяйственной техники путем использования финишной антифрикционной безабразивной обработки и металлоплакирующих нанодисперсных присадок к смазочному материалу, содержащих медь и олово;

• разработана компьютерная программа прогнозирования долговечности узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники за счет улучшения и совершенствования процесса приработки;

• разработаны рекомендации и комплекс средств по повышению ресурса и эффективности использования автотракторных дизелей и поршневых пневмокомпрессоров.

Практическая ценность. Предложен и внедрен в производство комплекс мероприятий и конструктивных разработок, которые позволяют:

• повысить качество приработки, сократив продолжительность и увеличив ее эффективность, а также снизить начальный (приработочный) и установившийся износ трущихся деталей жатки, молотильного аппарата и ходовой части зерноуборочных комбайнов в 1,3-1,5 раза;

• снизить износ поверхностей трения гильз цилиндров и шеек коленчатых валов ДВС в 1,4-1,6 раза;

• повысить наработку на отказ и ресурс машин при прогнозировании на 40-60 %;

• получить от внедрения ФАБО в сочетании с добавлением в смазочные материалы металлоплакирующих нанодисперсных присадок годовой экономический эффект 165 392 руб.

Пути реализации работы. Результаты исследований могут быть использованы на сельскохозяйственных и других предприятиях Министерства сельского хозяйства РФ при определении состава антифрикционного покрытия и режимов нанесения его в сочетании с металлоплакирующими нанодисперсными присадками к смазочным материалам, в конструкторских бюро предприятий сельскохозяйственного машиностроения, на ремонтно-технических предприятиях, машинно-технологических станциях, в акционерных обществах и фермерских хозяйствах, а также в учебном процессе вузов аграрного образования при изучении курса «Трибологические основы повышения ресурса мобильной сельскохозяйственной техники».

Внедрение. Разработанные в диссертации модернизированное устройство (патент № 75659) и триботехнические методы повышения эффективности и ресурса узлов трения зерноуборочных комбайнов внедрены на ряде предприятий Саратовской области:

• в ООО «Деметра» (Новобурасский район Саратовской области);

• в ГОУ НПО «Профессиональное училище № 59» (р.п. Базарный Карабулак Саратовской области);

• в ОАО «Ремонтный завод «Хоперский» (г. Балашов Саратовской области).

По результатам исследований разработаны и утверждены рекомендации по повышению ресурса и эффективности использования автотракторных дизелей и поршневых пневмокомпрессоров.

На защиту выносятся следующие научные положения:

• Теоретические предпосылки повышения долговечности узлов трения мобильной сельскохозяйственной техники путем применения ФАБО в сочетании с добавлением наноприсадок в смазочный материал.

• Математическая модель повышения долговечности трущихся деталей мобильной сельскохозяйственной техники за счет использования финишной антифрикционной безабразивной обработки и металлоплакирующих нанодисперсных присадок к смазочному материалу, содержащих медь и олово.

• Результаты испытаний триботехнических и эксплуатационных испытаний антифрикционных покрытий и смазочных композиций.

• Рекомендации по повышению ресурса и эффективности использования автотракторных дизелей и поршневых пневмокомпрессоров.

Апробация. Основные положения и результаты работы были доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов СГАУ в 20052008 гг.; ежегодном Межгосударственном постоянно действующем научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (Саратов, 2008 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 научных работах. Общий объем публикаций - 4,9 печ. л., из которых 2,4 печ. л. принадлежит лично соискателю. Одна работа опубликована в издании, входящем в перечень ВАК Минобразования и науки РФ. Получен патент РФ № 75659 от 20.08.2008 г. на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 191 странице машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, общих выводов, содержит 60 рисунков, 18 таблиц и приложения. Список использованной литературы включает в себя 171 наименование, в том числе 6 на иностранном языке.