автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Технология ремонта силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники электроискровым методом

На правах рукописи

ЧУМАКОВ Павел Васильевич

ТЕХНОЛОГИЯ РЕМОНТА СИЛОВЫХ ГИДРОЦИЛИНДРОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОИСКРОВЫМ МЕТОДОМ

Специальность 05.20.03 — Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 ДЕК 2013

Саранск 2013

005543763

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им Н. П. Огарева»

Научный руководитель: кандидат технических наук доцент

Величко Сергей Анатольевич

Официальные оппоненты: Мачнев Валентин Андреевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», профессор кафедры основ конструирования механизмов и машин;

Сульдин Сергей Петрович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарёва», заведующий кафедрой металлообрабатывающих станков и комплексов

Ведущая организация: ГНУ Мордовский научно-

исследовательский институт сельского хозяйства Россельхозакадемии

Защита состоится 25 декабря 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.06 ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» по адресу: 430904, г. Саранск, п. Ялга, ул. Российская, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. М. Бахтина ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева».

Автореферат разослан 25 ноября 2013 г. и размещен на официальных сайтах Минобрнауки РФ http://vak2.ed.gov.ru и ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» www.mrsu.ru 24 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Величко С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Анализ развития технического оснащения предприятий АПК свидетельствует о том, что оно продолжает ухудшаться. Используемый машинно-тракторный парк имеет уровень амортизации более 60%.

Стареющая материально - техническая база отрасли представляет серьезную угрозу для обеспечения необходимых объемов производства, насыщения рынка отечественной сельскохозяйственной продукцией, сырьем и продовольствием.

Ремонт агрегатов с восстановлением и упрочнением деталей - технически обоснованное и экономически оправданное мероприятие. Оно позволяет ремонтно-обслуживающим предприятиям и мастерским хозяйств сокращать время простоя неисправных машин, оборудования, улучшать показатели надежности и использования машин. Особое место в этом процессе отводится квалифицированному техническому обслуживанию и ремонту силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники, доля отказов которых составляет 17-30% от общего числа отказов гидросистем.

По данным ГОСНИТИ, областных, краевых и республиканских структур АПК, из-за отсутствия эффективной технологии и оборудования ежегодно списывается более 340 тыс. силовых гидроцилиндров отечественной и зарубежной сельскохозяйственной техники. Современное ремонтное производство остро нуждается в скорейшей разработке и внедрении научно обоснованных технологических решениях повышения межремонтного ресурса силовых гидроцилиндров.

Стенень разработанности темы. Анализ и систематизация материалов для постановки научной проблемы и выдвижения общей гипотезы проведены на основании работ Бурумкулова Ф. X., Величко С. А., Водякова В. Н., Голубева И. Г., Дидура В. А., Иванова В. И., Ионова П. А., Котина А. В., Лялякина В. П., Мачнева В. А., Сенина П. В., Сульдина С. П., Черкуна В. Е., Черноиванова В. И. и других ученых, труды которых посвящены повышению долговечности агрегатов машин и методам восстановления изношенных деталей.

Предлагаемые технологические решения, разработанные в 70-90-х гг. прошлого столетия, ориентированные на массовый и крупносерийный тип производства, утратили практическую значимость. Применяемая на ремонтных предприятиях технология с заменой ремонтных комплектов и устранением локальных дефектов на штоках полуавтоматической сваркой позволяет отремонтировать не более 70% гидроцилиндров при этом их межремонтный ресурс не превышает 30-60% от доремонтного. Проблема повышения межремонтного ресурса силовых гидроцилиндров восстановлением изношенных поверхностей деталей и устранением дефектов электроискровой технологией до настоящего времени не решалась.

Исследования проведены в соответствии с темой государственного задания Россельхозакадсмии № 09.04.03.04 «Разработать типовую технологию ремонта гидроцилиндров Ц-55, Ц-75, Ц-75Б, Ц-90, Ц-100, Ц-110, Ц-125 с восстановлением и упрочнением изношенных деталей комбинированными методами».

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки РФ, проект 7.5566.2011 «Исследование структуры и свойств, новых нанокомпозитных материалов, полученных с использованием источников концентрированной энергии» и программы У.М.Н.И.К. ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм

предприятий в научно-технической сфере» по теме «Исследование долговечности силовых гидроцилиндров гидроприводов автотракторной техники».

Цель исследований - повышение межремонтного ресурса силовых гидроцилиндров путем восстановления изношенных поверхностей деталей и устранения дефектов электроискровым методом.

Объект исследований - технологический процесс ремонта силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники, обеспечивающий повышение их межремонтного ресурса, созданием на изношенных и дефектных поверхностях деталей электроискровых покрытий.

Предмет исследований - технологическая основа формирования электроискровых покрытий, функционально пригодных для восстановления работоспособности и повышения межремонтного ресурса силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники.

Научная проблема заключается в повышении межремонтного ресурса силовых гидроцилиндров восстановлением изношенных поверхностей деталей и устранением дефектов электроискровым методом.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Статистическая оценка функциональных параметров работоспособности силовых гидроцилиндров, износов и дефектов рабочих поверхностей деталей.

2. Теоретическое обоснование повышения межремонтного ресурса силовых гидроцилиндров на основе анализа аналитических зависимостей влияния факторов на параметры работоспособности.

3. Технологическая основа формирования электроискровых покрытий заданной толщины с повышенной контактной сплошностью.

4. Результаты экспериментальных исследований физико-механических и триботехнических свойств покрытий, полученных методом электроискровой обработки.

5. Результаты эксплуатационных ресурсных испытаний силовых гидроцилиндров, отремонтированных с восстановлением изношенных поверхностей деталей и устранением дефектов электроискровым методом.

6. Технологический процесс ремонта силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники нанесением на изношенные и дефектные поверхности деталей функционально пригодных электроискровых покрытий.

Научную новизну работы представляют:

1). Закономерности распределения функциональных параметров работоспособности силовых гидроцилиндров, износов и дефектов рабочих поверхностей деталей.

2). Аналитические зависимости влияния износов деталей ресурсоопреде-ляющих соединений и погнутости штока на общий КПД и величину удельного объема выносимой рабочей жидкости.

3). Математическая модель связи коэффициента полезного действия с изно-сами рабочих поверхностей деталей и погнутостью штоков силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники; их допустимые значения при ремонте.

4). Энергетические и кинетические зависимости формирования электроискровых покрытий из бронзы БрКМцЗ-1 на чугуне СЧ21 и стали 40Х и их физико-механические и триботехнические свойства.

5). Значения 80-процентных ресурсов силовых гидроцилиндров, отремонтированных с восстановлением изношенных поверхностей деталей и устранением дефектов электроискровым методом.

6). Новый технологический процесс ремонта силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники электроискровым методом, обеспечивающий 80-процентный межремонтный ресурс на уровне доремонтного.

Практическую значимость работы представляют:

1). Допустимые значения износов рабочих поверхностей деталей ресурсо-определяющих соединений гидроцилиндров и величина погнутости штоков;

2). Рациональные режимы формирования электроискровых покрытий заданной толщины с повышенной контактной сплошностью на чугуне СЧ21 и стали 40Х;

3). Устройство для оценки технического состояния силовых гидроцилиндров (патент на полезную модель № 129580, дата приоритета 09.01.2013);

4). Устройство для ресурсных испытаний гидроагрегатов (патент на полезную модель № 110435, дата приоритета 26.04.2011);

5). Устройство для финишной обработки наружных цилиндрических поверхностей (патент на полезную модель№ 118577, дата приоритета 28.02.2012);

6). Способ ремонта силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники (патент на изобретение № 2476299 «Способ ремонта гидроцилиндров», дата приоритета 01.12.2011).

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием известных положений теории надежности, теории механизмов машин, теории трения, теории о физической природе механизма эрозии материалов.

Экспериментальные исследования выполнены по общим и частным методикам с использованием современного научно-исследовательского оборудования и средств измерений лаборатории «Технологии и средства создания покрытий с заданными служебными свойствами» Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева.

Обработка результатов исследований проведена с использованием методов теории вероятности и математической статистики с помощью пакетов прикладных программ «Statistica 8.0» и «Excel 2010».

Реализация результатов исследования. Разработанный технологический процесс ремонта силовых гидроцилиндров внедрен в малом инновационном предприятии ООО «Агросервис» (г. Саранск, Республика Мордовия) и ОАО «Грачев-ский завод "Гидроагрегат"» (п. Грачевка, Ставропольский край).

Личный вклад соискателя состоит в постановке научной проблемы, решении теоретических задач, получении и анализе результатов экспериментальных исследований и их интерпретации, написании научных статей и оформлении заявок на патенты и их реализации. При участии соискателя разработан и внедрен на предприятиях АПК новый технологический процесс ремонта силовых гидроцилиндров.

Апробация результатов. Основные положения и результаты исследований доложены на международных научно-технических конференциях «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (г. Москва, ГОСНИТИ, 2010, 2012.); конференции молодых

ученых и специалистов отделения механизации, электрификации и автоматизации Российской академии сельскохозяйственных наук «Научное обеспечение инновационных процессов в агропромышленной сфере» (г. Москва, ГОСНИТИ, 2012.); Международной научно-практической конференции «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы», посвященной 55-летию Института механики и энергетики ФГБОУ ВПО «МГУ имени Н. П. Огарёва», (г. Саранск 2012).

Новая технология ремонта силовых гидроцилиндров удостоена золотых медалей на 14-м Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед-2011» и XV Российской агропромышленной выставке «Золотая осень».

Публикаций. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований на соискание ученой степени кандидата и доктора наук. Получен 1 патент РФ на изобретение № 2476299 и 3 - на полезные модели: № 110435, 118577; 129580. Общий объем публикаций составил 26 п.л., из них лично соискателю принадлежит 15 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 215 страницах машинописного текста, включает 68 рисунков и 38 таблиц, список литературы содержит 88 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научной проблемы; поставлена цель работы; выбраны объект, предмет и методы исследования; приведены научные положения и результаты, выносимые на защиту; раскрыты научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса и сформулированы задачи исследования.

Силовой гидроцилиндр предназначен для преобразования энергии, полученной рабочей жидкостью от насоса, в механическую энергию возвратно - поступательного движения. В соответствии с протоколами периодических испытаний гидроцилиндров серии С, проводимых на ОАО «МеЗТГ», ресурс гидроцилиндров до капитального ремонта должен составлять не менее 250 тыс. циклов (6000 мото-ч.), однако в условиях эксплуатации он не превышает и 150 тыс.

Исследования эксплуатационной надежности показали, что ресурсоопреде-ляющими уплотнительными узлами гидроцилиндров серии С, особенностью конструкции которых является отсутствие сменных опорных колец, являются штоко-вый и поршневой.

При входном контроле гидроцилиндров, решение о постановке агрегата на капитальный ремонт принимается, если происходит уменьшение общего КПД и/или увеличение удельного объёма выносимой поверхностью штока рабочей жидкости более, чем в 1,2 раза от установленного нормативными документами значения для гидроцилиндров конкретного типа, не устраняемое заменой уплотнителей.

Применяемая на ремонтных предприятиях технология с заменой уплотнений и устранением локальных дефектов на штоках полуавтоматической сваркой позво-

ляет отремонтировать не более 70% гидроцилиндров, при этом их межремонтный ресурс не превышает 30-60% от доремонтного.

Перспективным методом восстановления деталей и устранения локальных дефектов является метод электроискровой обработки (ЭИО). Однако применение его для восстановления изношенных поверхностей деталей гидроцилиндров ограничивается недостаточной толщиной наносимых покрытий.

Таким образом, в соответствии с поставленной целью сформулированы задачи научного исследования.

1. Исследовать функциональные параметры работоспособности силовых гидроцилиндров, износов и дефектов силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники и установить зависимость снижения общего КПД от износов деталей ресурсоопределягащих соединений.

2. На основе анализа аналитических зависимостей факторов, влияющих на параметры работоспособности, определить пути повышения межремонтного ресурса силовых гидроцилиндров серии С при ремонте.

3. Разработать технологическую основу формирования электроискровых покрытий заданной толщины с повышенной контактной сплошностью и определить рациональные режимы восстановления изношенных поверхностей и устранения дефектов деталей силовых гидроцилиндров.

4. Определить физико-механические и триботехнические свойства электроискровых покрытий.

5. Провести эксплуатационные испытания и определить значения 80-процентных ресурсов силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники, отремонтированных с восстановлением изношенных поверхностей деталей и устранением дефектов электроискровым методом.

6. Разработать технологический процесс ремонта силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники, обеспечивающий повышение их 80-процентного межремонтного ресурса до уровня доремонтного, и определить технико-экономическую эффективность его внедрения на предприятиях АПК.

Во второй главе рассмотрены теоретические предпосылки к повышению межремонтного ресурса силовых гидроцилиндров.

Определяющим фактором, влияющим на величину объема выносимой рабочей жидкости поверхностью штока, является контактное давление уплотнительных колец передней крышки Р

Рк=КФ-Ее, (1)

где Кф - коэффициент формы уплотнителя; Е - модуль упругости материала уплотнителя, МПа; е - степень сжатия уплотнителя. Для подвижных уплотнительных узлов предельное значение контактного давления составляет ,Ркпр=0,25 МПа.

Степень сжатия кольца определяется по формуле:

где й-диаметр сечения кольца, мм; Н-расстояние от дна канавки, в которое установлено кольцо, до рабочей поверхности штока, мм.

Величина Я вычисляется по формуле (рис. 1):

н=тттах+ишг+ипжр+нг, (3)

где ТТтаХ ~ максимальный технологический зазор в соединении «шток-передняя крышка», мм (для гидроцилиндров серии С ТТтах=0,137мм); £/шт -износ поверхности штока, мм; £/п.кр - износ отверстия передней крышки, мм; Нг - глубина канавки уплотнителя, мм.

С учетом преобразований формула (1) примет вид:

Нг

Рисунок 1 - Упрощенная схема штокового уплотнительного узла 1 — передняя крышка; 2 — шток; 3 — уплотнительные кольца

РК=КФ

с!-Т™ах

'^шт ^п.кр

зовавшийся из-за износов

Е " 'т "шт пкр г (4) <1

Из формулы (4) предельный зазор ¿лр, обра-и ип кр, можно определить по выражению: Рпр-с1

Кф-Е

с-нг.

(5)

Подставив значения _РКПР=0,25 МПа, ¿/=4,6 мм, £=11,8 МПа, Лф=1,25, 7Уиах=0,137 мм и Нг=4 мм в формулу (5), получим предельную величину суммарного зазора

гпр =4,6-

0,25-4,6

-0,137-4 = 0,385мм.

(6)

1,25-11,8

По данным наших исследований, вероятность появления предельного значения суммарного зазора составляет 6 %.

Таким образом, можно предположить, что герметичность уплотнительного узла восстанавливается заменой уплотнителей, однако, по данным наших исследований, исследований профессора Крагельского И. В., Водякова В. Н. и других ученых, увеличение зазора приводит к снижению ресурса уплотнительного узла.

Для исследования факторов, влияющих на снижение общего КПД, произведен его расчет через угол несоосности оси цилиндра с осью штока а (рис. 2). При отсутствии дефектов на рабочих поверхностях деталей, общий КПД гидроцилиндра равен механическому КПД, и рассчитается по формуле

п = 3»» (7)

где /^азц - сила, развиваемая гидроцилиндром, Н; Рж - сила давления рабочей жидкости на поршень, Н.

Для получения зависимости влияния износов деталей ресурсоопределяющих соединений и погнутости штока на общий КПД проведен анализ сил, действующих на гидроцилиндр во время эксплуатации (рис. 2).

Рисунок 2 - Кинематическая схема работы гидроцилиндра под нагрузкой

Исходя из геометрических соображений, по рис. 2 составим уравнение равновесия сил, учитывая их направленность:

/гж= /Чр -cosa+ FTpB +Fp33B-cosa (8)

где FTрА - сила трения в соединении «поршень - гильза», Н; а - угол несоосности оси цилиндра с осью штока, град.; FlpB - сила трения в соединении «шток - передняя крышка», Н.

Составив уравнения действующих сил при условии ЛМА=0 и £Мд=0 выражаем силы трения FTpA и FrpB через коэффициенты трения в соединениях //•ф и

в

>/тР :

РA J,AY л ^разв • sin а • • r¡jp • eos а '2

рВ _ рВ „В ^разв ' sin а • (/2 + /3 ) ■ r¡jp

тр - 'V-rp---.--UU)

'2

Подставив выражения (9) и (10) в уравнение (8), получим:

/Vm-sina-Zj-í^p-cos^ Fpa3B-sina-(/2+/з)-^Р с П1Л

/•ж =---+---+ /-pa3B-cosa ^nj

'2 '2

Тогда по формуле (7) с учетом выражения (11) КПД гидроцилиндра запишется:

4 =-К----(12)

sin a /-j -77^, - eos a sina (/2 +/3)cosa

Угол несоосности оси цилиндра с осью штока а равен сумме угла несоосности, образовавшегося из-за износов деталей аиз„ и угла, образовавшегося в связи с погнутостью штока ctnorlL1UT: ■

^изн"*" ^ПОГП.ШТ (13)

На рис. За отрезок АВ обозначает шток, смещенный на угол аизн из-за наличия зазора 2ШТ образовавшегося в связи с износами штока £/шт и передней крышки U„ кр, а отрезок AD - шток в несмещенном положении при отсутствии зазоров.

* " С1

а б

Рисунок 3 - Кинематическая схема работы гидроцилиндра: а - при отсутствии зазора в поршневом узле; б - при отсутствии зазора в штоковом узле

Рассмотрим треугольник АЕШ с прямым углом при вершине Э (рис.3). Угол I рассчитывается по формуле

Л

а.пи = агссоБ

(14)

7 =7 +77 + 11 ^тех

//2 +(7ШТ +7" +11 +и +и +и )2 ^У 2 ^ тех ^ ¿-тех ^ ^п.кр. т шт. ^ и г.ц. т ^п/ ^

где С/ГА1. — износ внутренней поверхности гильзы цилиндра, мкм; С/п. - износ наружной поверхности поршня, мкм.

Суммы износов рабочих поверхностей деталей £/пжр., £/шт., С/Г.ц., (Уп , а также технологических зазоров Z™eг:í,Z"elí составляют зазоры в штоковом 2хт и поршневом Zп узлах:

и гп= Ътп+иг.ц+ип. (15)

Угол несоосности оси цилиндра с осью штока апоп| шт, образующийся из-за погнутости штока /ШТ, выразится из схемы рис. 4, из которого видно, что треугольник С]ССо является равнобедренным со сторонами С/С = С^о-Ь+Ь+к и с углом в вершине аПогн.шт.- Отсюда зависимость угла Япогп.шт от величины погну-

Рисунок 4 - Геометрическая схема гидроцилиндра под нагрузкой с погнутым штоком

тости штока примет вид:

2(/,+/2+/3)2-Л

2(/,+/2+/З)

(16)

Общая зависимость величины угла а от износов деталей в штоковом и поршневом уплотнительных узлах и величины погнутости штока/,,,,, гидроцилиндра с учетом выражений 14 и 16, запишется:

а=агссо5

{ 2(/, +/2 +/3 У

(17)

+ [^«х + ^"ех + ^п.кр.+ ^шт.++ ^п Г у Аналитические зависимости 12 и 17 показывают, что для повышения межремонтного ресурса силовых гидроцилиндров серии С, при ремонте необходимо обеспечить технологические зазоры в соединениях шток- передняя крышка и поршень - гильза 7"сх устранив износы рабочих поверхностей деталей ипкр, (Ушх, иГА1 и ип. нанесением покрытий с меньшим коэффициентом трения, чем у новых. В случае погнутости штока/11Т , необходима его правка.

Регрессионный анализ показал, что из геометрических факторов, влияющих на уменьшение общего КПД гидроцилиндров, значимыми являются: износ отверстия передней крышки £/пкр.; износ наружной поверхности поршня £/„; износ внутренней поверхности гильзы (/гц.; погнутость штока /шт.. Не значимым фактором является износ рабочей поверхности штока С/шт..

Для определения связи общего КПД гидроцилиндра со статистически значимыми факторами и их взаимным влиянием проведен экстремальный эксперимент

по плану 2 . Для многофакторного экстремального эксперимента значениями уровней варьирования факторов являлись минимальные и максимальные значения из-носов поверхностей деталей (табл. 1).

Уровень Факторы процесса в единицах измерения

(Х\) - ипж„, мкм (Xj) - Сп.мкм (Х}) - Ur ц„ мкм (Х<д -/шт.. мкм

Основной 319 5,765 170 5,136 50 3,910 1640 7,402

Верхний 498 6,210 250 5,521 60 4,094 3150 8,055

Нижний 140 4,942 90 4,500 40 3,689 130 4,868

Интервал варьирования 179 5,187 80 4,382 10 2,30 1510 7,320

Кодовое обозначение ^п.кр. U„_кр. ип Ln Un Уг.ц. Ln Ur ц. ./шт. '•"./шт.

В результате многофакторного эксперимента получена математическая модель связи общего КПД с износами деталей и погнутостью штока в виде

0.629+ 0,069 Ьп/шт. +0,045 ¿иС/п.£.я£/г.ц. 1,009+0,053£л/Ш1. л,18 и кр. ' "г.ц.

,.,,0,171 и,и„+ 0,187 ¿и£/г.ц.+0,01 Ь„ипи,/Шт +0,0016 Ь,игМ. Ал/Шт. 0,28 ¿яС/г.ц. ,0,4 ' п.кр п. 'шт.

Оптимизация математической модели (18) показала, что для допустимого значения общего КПД гидроцилиндра, равного 0,824, износ отверстия передней крышки £/п.кр = 170 мкм; износ наружной поверхности поршня ип = 98 мкм; износ внутренней поверхности гильзы Сг.ц. = 59 мкм; погнутость штока/шт. = 280 мкм.

Для восстановления изношенных поверхностей деталей гидроцилиндров и устранения дефектов поверхности штоков разработана технологическая основа формирования электроискровых покрытий заданной толщины с повышенной контактной сплошностью, включающая нанесение «бугристых» покрытий до толщины Ам электродами, создающими с материалом основы неограниченные твердые растворы и их оплавление эрозионностойкими электродами до толщины Лоп.(рис. 5).

При оплавлении бугристого покрытия, его толщина снижается на 40-70 %. Требуемая толщина йоп слоя повышенной контактной сплошности не менее 95 % обеспечивается выполнением необходимого количества циклов «нанесение - оплавление».

При восстановлении величины технологического зазора в поршневом узле необходимо наносить на наружную поверхность поршня покрытие толщиной, равной сумме износов поршня £/п и гильзы (Уг.ц.. Для этого износ гильзы должен быть не выше минимального технологического зазора. По статистическим данным, полученным результатами микрометражных исследований, данное условие выполняется с вероятностью 99,78 %.

Рисунок 5 - Схема формирования электроисковых покрытий заданной толщины с повышенной сплошностью: < h„2 < h,,i — толщина нанесенных слоев; Kmi < h„„2 < h,„,3 - толщина оплавленных слоев

В третьей главе представлена программа, приведены методики экспериментальных исследований, охарактеризованы научно-исследовательское оборудование и средства измерений.

Функциональные параметры работоспособности силовых гидроцилиндров, принятых на ремонт, определяли в соответствии ГОСТ 18464-96 с использованием разработанного устройства на базе стенда КИ-4815М, дополнительно оснащенного гидравлической станцией, управляющей нагрузочным гидроцилиндром, что позволяет проводить испытания под действием силовой нагрузки.

Микрометражные исследования деталей партии гидроцилиндров серии С проводили согласно техническим требованиям на капитальный ремонт ТК 70.0001.018-86.

С использованием разработанного устройства получена экспериментальная зависимость выноса масла поверхностью штока от увеличения зазора в штоковом уплотнительном узле с новыми ремкомплектами.

Для исследования рациональных режимов формирования электроискровых покрытий заданной толщины с повышенной сплошностью применяли установку БИГ-4 ТУ 3312-001-02069964-2012 с широким диапазоном энергетических режимов. При построении энергетических зависимостей условные режимы, представленные в паспорте установки БИГ-4, располагали в порядке увеличения их мощности и присваивали сквозную нумерацию.

Оценку толщины и сплошности электроискровых покрытий проводили с помощью анализатора фрагментов микроструктуры твердых тел «Siams 700».

Величину припуска под последующую механическую обработку электроискровых покрытий заданной толщины с повышенной сплошностью определяли с использованием измерительной системы «Form Talysurfl 120».

Микротвердость покрытий образцов исследовали на приборе «Durascan 20» в соответствии с ИСО 4287, ГОСТ 9450-76, ГОСТ 27964-88 с использованием мате-риалографического комплекса «Tegra Force» для подготовки шлифов.

Триботехнические характеристики пар трения определяли по ГОСТ 23.224-86 на машине трения «ХОБАТ-2» при относительном возвратно-поступательном движении образцов.

Эксплуатационные испытания проводились в хозяйствах Республики Мордовия на тракторах сельскохозяйственного назначения по плану [NUr].

Достоверность экспериментальных исследований обеспечивалась расчетом минимально необходимого количества опытов или объектов по результатам предварительного расчета коэффициента вариации и заданных доверительной вероятности 0,95 и относительной ошибки 0,10.

Обработка результатов осуществлялась методами математической статистики с использованием пакета прикладных программ «Statistica 8.0» и «Excel 2010».

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований.

Исследования функциональных параметров бывших в эксплуатации гидроцилиндров показали, что 92 % из них имеют величину удельного объема рабочей жидкости, выносимой поверхностью штока, выше допустимого значения, у остальных гидроцилиндров этот показатель находится на допустимом уровне. Распределение удельного объема рабочей жидкости, выносимой поверхностью штока с исходными уплотнителями, подчиняется закону Вейбулла со средним

значением Уср = 6,63 м /м и коэффициентом вариации V = 0,42:

Ш2-55

Г(У) = 1-е[7'47> (19)

Результаты испытаний этих же гидроцилиндров показали, что после замены уплотнителей на новые вынос рабочей жидкости поверхностью штока отсутствует.

Распределение значений отклонения общего КПД от допустимого значения подчиняется закону Вейбулла со средним значением 4//ср = 0,07, стандартным отклонением а = 0,045 и коэффициентом вариации V = 0,61:

Р(Аф = 1-е . (20)

Результаты исследований функциональных параметров работоспособности гидроцилиндров, которые не имели на рабочих поверхностях штоков и гильз дефектов, показали, что полностью соответствуют требованиям технического состояния - 4 %; поступили в ремонт только по причине выхода из строя штокового уплотнительного узла - 20 %; только по причине низкого КПД - 4 %; по причине выхода из строя штокового узла и низкого КПД - 72 %.

Основные статистические характеристики и параметры распределения износов отверстия передней крышки представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Основные статистические характеристики и параметры распределения износов

Диапазон Среднее Коэффици- Параметры закона Коэффициент

Износ U„.кр износа, значение, ент вариа- Вейбулла повторяемо-

мкм мкм ции а Ь сти

плоек. 0 -0

сечение /-/ 16-200 55,69 0,85 60,03 1,2 0,86

сечение 2-2 26-302 95,31 0,69 109,10 1,48 0,90

сечение 3-3 28-438 х 202,90 0,53 214,28 1,84 0,92

плоек. 90°-90°

сечение 1-1 8-380 83,24 0,99 82,59 1,00 0,87

сечение 2-2 22-498 153,52 0,65 173,16 1,58 0,93

сечение 3-3 140-728 304,69 0,58 283,8 1,80 0,94

Основные статистические характеристики и параметры распределения износов рабочей поверхности штоков представлены в табл. 3.

Таблица 3 - Основные статистические характеристики и параметры распределения износов рабочей поверхности штоков__

Износ ишт Диапазон износа, мкм Среднее значение, мкм Коэффициент вариации Параметры закона Вейбулла Коэффициент повторяемости

а Ь

rí> rfi плоек. 0 -0

сечение 1-1 2-15 7,29 0,50 8,34 2,10 0,30

сечение 2-2 1-16 7,23 0,58 8,24 1,80 0,30

сечение 3-3 1-16 7,88 0,53 8,89 1,95 0,30

сечение 4-4 3-16 9,06 0,43 10,26 2,50 0,33

сечение 5-5 5-16 10,12 0,35 11,03 3,10 0,36

плоек. 90°-90°

сечение 1-1 4-24 13,47 0,45 15,10 2,35 0,33

сечение 2-2 4-25 14,41 0,40 16,60 2,70 0,34

сечение 3-3 5-26 15,41 0,38 17,12 2,90 0,36

сечение 4-4 6-26 16,53 0,35 18,16 3,10 0,36

сечение 5-5 8-28 17,41 0,34 19,06 3,20 0,36

На рабочих поверхностях штоков гидроцилиндров наблюдаются дефекты в виде рисок, задиров и коррозии с коэффициентом повторяемости 0,56. Распределение глубины дефектов на поверхности штоков подчиняется закону Вейбулла со средним значением 70 мкм, максимальным - 150 мкм.

Коэффициент годности штоков по изгибу составляет 0,18, среднее значение погнутости составило 767 мкм, минимальное - 130 мкм, максимальное - 2150 мкм и подчиняется закону Вейбулла с коэффициентом вариации 0,81.

Основные статистические характеристики и параметры распределения износов внутренней поверхности гильзы представлены в табл. 4.

Таблица 4 - Основные статистические характеристики и параметры распределения износов внутренней поверхности гильзы____

Износ С/Г.ц Диапазон износа, мкм Среднее значение, мкм Коэффициент вариации Параметры закона Вейбулла Коэффициент повторяемости

а Ь

плоек. 0°-0и

сечение 1-1 5-35 23,60 1,04 22,16 1,05 0,16

сечение 2-2 10-40 25,88 0,79 28,60 1,30 0,16

сечение 3-3 10-55 24,47 0,75 28,77 1,35 0,18

сечение 4-4 5-60 28,15 0,82 26,36 1,22 0,18

плоек. 90°-90°

сечение 1-1 10-55 30,83 0,87 34,69 1,15 0,18

сечение 2-2 5-60 31,20 0,66 39,22 1,55 0,18

сечение 3-3 6-60 35,59 0,62 39,15 1,65 0,20

сечение 4-4 5-55 33,68 0,88 40,07 1,15 0,22

Коэффициент повторяемости дефектов гильз составляет 0,06. Результаты микрометражных исследований поверхности поршней представлены в табл. 5.

Таблица 5 — Основные статистические характеристики и параметры распределения износов наружной поверхности поршня____

Износ и„. Диапазон износа, мкм Среднее значение, мкм Коэффициент вариации Параметры закона Вейбулла Коэффициент повторяемости

а Ь

плоек. 0 -0

сечение 1-1 10-240 69,27 0,86 72,78 1,18 0,62

сечение 2-2 5-235 89,83 0,83 95,47 1,22 0,68

плоек. 90°-90°

сечение 1-1 10-240 98,17 0,69 109,85 1,48 0,70

сечение 2-2 10-250 125,00 0,64 139,56 1,60 0,72

Результаты лабораторных исследований потери работоспособности штоково-

го узла показали, что у новых гидроцилиндров количество циклов включения до предельного состояния составило 260 тыс., что соответствует значению /Унов, заявленному заводом-изготовителем (рис.6). У бывших в эксплуатации гидроцилиндров с увеличением величины зазора, количество циклов включения до предельного значения снижается, и при среднем значении зазора, равном 270 мкм принимает значение на 40 % ниже, чем у новых.

112 190 270 350 430 Зазор, мкм

Рисунок 6 - Диаграмма зависимости количества циклов включения до предельного состояния от величины зазора в штоковом узле

Установлено, что из исследованных бронзовых электродных материалов БрАЖМц10-3-1,5, БрАМц9-2, БрКМцЗ-1, широко применяемых для электроискровой наплавки, большей склонностью к эрозии обладает бронза БрКМцЗ-1. Максимальная толщина наносимых «бугристых» покрытий данным электродом достигается на 18-м условном энергетическом режиме установки БИГ-4.

Рациональное время нанесения «бугристых» покрытий определено по зависимости, представленной на рис. 8, полученной из кинетики процесса нанесения «бугристых» покрытий (рис. 7) путем их оплавления эрозионно стойким электродом из меди М1 по критерию обеспечения сплошности не менее 95 % на предварительно выбранном условном энергетическом режиме.

/Л ми.

1500

юоо ;

500 <""* О--

10 15 20 25 30 35 40 45 50 Т". с

Рисунок 7 — Кинетическая зависимость толщины «бугристых» покрытий от времени нанесения на 18-м условном энергетическом режиме

Рисунок 8 — Зависимость толщины покрытий после оплавления от времени нанесения «бугристых» покрытий

Из рис. 8 видно, что для покрытия толщиной И шх=260 мкм, требуемого для устранения дефектов штока, время нанесения составляет т"шт=12 с, а для восстановления отверстия передней крышки, при необходимой толщине покрытия /г°пп кр=350 мкм, время нанесения составляет т"п.к-р=31 с.

Для полученных значений времени нанесения «бугристых» покрытий уста-

оп г

новлена зависимость времени оплавления г до обеспечения контактной сплошности не менее 95 %, от условных энергетических режимов (рис. 9). Из рис. 9 видно, г'41, с что минимальное время оплавле-

ния г тт для г"шт=12 с достигается на 18-м условном энергетическом режиме, для г"п.Кр=31 с -на 19-м.

При устранении дефектов на поверхности штока и восстановлении отверстия передней крышки достаточно формирование покрытий за один цикл нанесения и оплавления (рис. 5).

Исследования показали, что рациональным режимом нанесения электроискровых покрытий на поверхность поршня является 7-й условный энергетический режим установки БИГ-4, обладающий максимальной производительностью при обеспечении контактной сплошности не менее 95 %. Время нанесения г"п выбиралось по кинетической зависимости формирования покрытия (рис. 10) для требуемой толщины /)"п.

№ усл.

8 10 12 14 16 18 20 режима Рисунок 9 - Зависимость времени оплавления от условных энергетических режимов

Результаты исследований микротвердости показали, что твердость электроискрового покрытия из бронзы составляет в среднем 220 НУ, что на 10 единиц ниже твердости основы - чугуна СЧ21.

Результаты триботехнических испытаний пар трения при возвратно-поступательном движении, представленные в табл.6, показали, что минимальный коэффициент трения /тт восстановленных бронзой БрКМцЗ-1 пар трения ниже, чем у образцов базовых пар трения што-кового узла, в 1,4 раза, поршневого - в 1,13 раза; максимальная несущая способность Рыа базовых пар трения ниже, чем у восстановленных пар трения штокового узла, в 1,31 раза, поршневого - в 1,07 раза; значения оптимальных нагрузок Роп восстановленных пар трения выше, чем у образцов базовых пар трения штокового узла, в 1,3 раза, поршневого - в 1,5 раза.

180 210

Рисунок 10-Кинетическая зависимость формирования электроискровых покрытий

№ пары Образец МПа Рон-МПа /нип /п Ф

неподвижный [ подвижный

Штоковый узел

1 Чугун-СЧ21 Сталь 40Х+хромовое покрытие 13,3 7,66 0,133 4,210 8 4,7-10 8 8,9-10 8 1,16-10 8

2 Чугун-СЧ21 + БрКМЦЗ-1 (ЭИО) Сталь 40Х+хромовое покрытие 17,5 10 0,095 3,8-10"8 3,22-10"8 7,02-10'8 7,02-10"9

Поршневой узел

1 Сталь 40Х Чугун-СЧ21 13 8 0,156 1,4810 10 1,02-10 9 1,17-10 9 1,46-Ю-10

2 Сталь 40Х Чугун-СЧ21 + БрКМЦЗ-1 (ЭИО) 14 12 0,138 1,25- Ю-10 9,5-Ю"10 1,08-10 9 9-10""

Суммарная интенсивность изнашивания восстановленных пар трения меньше, чем у базовых пар трения для штокового узла, в 1,26 раза, для поршневого -в 1,08 раза.

Эксплуатационные испытания гидроцилиндров, отремонтированных по разработанной технологии, показали, что 80-процентный ресурс составляет 6 106,33 мото-ч, что в 1,02 раза выше 80-процентного доремонтного.

Пятая глава посвящена разработке технологии ремонта силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники серии С восстановлением рабочих поверхностей деталей методом ЭИО и ее технико-экономической эффективности.

Новая технология ремонта силовых гидроцилиндров серии С включает операции восстановления изношенных поверхностей деталей и устранения дефектов: нанесение на поверхность отверстия передней крышки электроискрового покрытия заданной толщины с повышенной сплошностью с последующим разворачиванием до номинального размера; нанесение на рабочую поверхность поршня однослойного электроискрового покрытия с последующим укатыванием поверхности роликом; нанесение на дефектные участки рабочей поверхности штока электроискрового покрытия заданной толщины с повышенной сплошностью с последующей механической обработкой ручной шлифовальной машинкой и финишным полированием с

использованием устройства для финишной обработки наружных цилиндрических поверхностей.

Разработанный технологический процесс внедрен в ООО «Агросервис» (г. Саранск, Республика Мордовия) и ОАО «Грачевский завод "Гидроагрегат"» (п. Грачевка, Ставропольский край).

Экономический эффект от внедрения технологии в производство составляет 640 ООО руб. на программу ремонта 500 силовых гидроцилиндров в год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что распределение удельного объема рабочей жидкости, выносимой поверхностью штока, подчиняется закону Вейбулла с коэффициентом вариации 0,42, средним значением 6,63 м3/м2 и максимальным значением 16,83 м3/м2. Отклонение общего КПД от допустимого значения подчиняется закону распределения Вейбулла с коэффициентом вариации 0,61, средним значением 0,07 и максимальным - 0,14.

Износы деталей подчиняются закону распределения Вейбулла: для штоков среднее значение i/pmT = 17,4 мкм, максимальное £/"ягщт = 28 мкм; для передних крышек '— 153,5 мкм, U1 п>Кр = 498 мкм; для гильз ц — 35,59 мкм,

U"'aXг.и. ~ 84 мкм. Глубина дефектов, встречающихся на рабочих поверхностях штоков с коэффициентом повторяемости 0,56, подчиняется закону распределения Вейбулла с коэффициентом вариации 0,68, средним значением 70 мкм и максимальным 150 мкм. Погнутость штоков с коэффициентом повторяемости 0,82 подчиняется закону распределения Вейбулла с коэффициентом вариации 0,81, средним значением 767 мкм, максимальным 2 150 мкм.

2. Доказано, что герметизирующая способность штоковых узлов у бывших в эксплуатации гидроцилиндров восстанавливается заменой уплотнителей на новые, при этом ресурс узла снижается при увеличении в нем зазора. Анализ полученных аналитических зависимостей показал, что для повышения межремонтного ресурса силовых гидроцилиндров серии С при ремонте необходимо обеспечить технологический зазор в соединениях шток - передняя крышка и поршень - гильза нанесением на изношенные поверхности слоя металлопокрытия с меньшим коэффициентом трения, чем у новых, при обязательном устранении погнутости штока.

3. Получена математическая модель связи общего КПД со статистически значимыми факторами: износом отверстия передней крышки (U„ Kp), износом наружной поверхности поршня (Un), износом внутренней поверхности гильзы (£/г ц), величиной погнутости штока (/шт.) и их взаимным влиянием. Оптимизация полученной модели показала, что допустимому значению общего КПД, равному 0,824, соответствуют допустимые значения факторов: i/n.Kp = 170 мкм; Un = 98 мкм; UrM = 59 мкм;/цТ = 280 мкм.

4. Разработана технологическая основа формирования электроискровых покрытий заданной толщины с повышенной контактной сплошностью, включающая нанесение «бугристого» слоя и его оплавление. По полученным энергетическим и кинетическим зависимостям формирования электроискровых покрытий определены рациональные режимы:

а) восстановления отверстия передней крышки - для нанесения «бугристого» слоя электрод из бронзы БрКМцЗ-1, энергия импульса 0,61 Дж, частота импульсов 336 Гц, ток заряда 200 А, длительность импульса 170 мкс, время обработки 1 см2 31 с; для оплавления электрод из меди М1, энергия импульса 0,29 Дж, частота импульсов 750 Гц, ток заряда 200 А, длительность импульса 80 мкс, время обработки 1 см2 21 с;

б) устранения дефектов штока - для нанесения «бугристого» слоя электрод из бронзы БрКМцЗ-1, энергия импульса 0,61 Дж, частота импульсов 336 Гц, ток заряда 200 А, длительность импульса 170 мкс, время обработки 1 см2 12 с; для оплавления электрод из меди М1, энергия импульса 0,61 Дж, частота импульсов 336 Гц, ток заряда 200 А, длительность импульса 170 мкс, время обработки 1 ем2 32с;

в) восстановления наружной поверхности поршня - электрод из бронзы БрКМцЗ-1, энергия импульса 0,29 Дж, частота импульсов 300 Гц, ток заряда 200 А, длительность импульса 80 мкс, время обработки 1 см2 160 с.

5. Исследования микротвердости показали, что твердость электроискрового покрытия из бронзы БрКМцЗ-1 составляет в среднем 220 НУ, что на 10 единиц ниже твердости чугуна СЧ21.

Триботехнические испытания показали, что минимальный коэффициент трения у образцов с покрытием из бронзы БрКМцЗ-1 ниже, чем у образцов без покрытия: в штоковом узле - в 1,4 раза, в поршневом - в 1,13 раза; максимальная несущая способность пар трения без покрытия меньше, чем у пар трения с покрытием: в штоковом узле - в 1,31 раза, в поршневом - в 1,07 раз; суммарная интенсивность изнашивания пар трения с покрытием меньше, чем у пар трения без покрытия: в штоковом узле - в 1,26 раза, в поршневом - в 1,08 раза.

6. Эксплуатационные испытания силовых гидроцилиндров серии С, отремонтированных по разработанной технологии, показали, что их 80-процентный ресурс составляет 6 106,33 мото-ч, что в 1,02 раза выше 80-процентного доремонтного.

7. Разработан технологический процесс ремонта силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники, обеспечивающий повышение их межремонтного ресурса, восстановлением изношенных и дефектных поверхностей деталей соединений шток - передняя крышка и поршень — гильза нанесением антифрикционного покрытия методом электроискровой обработки.

Экономический эффект от внедрения на предприятиях АПК разработанной технологии составляет 640 тыс. руб. на программу 500 шт. в год, срок окупаемости капитальных вложений 1,3 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ

1. Бурумкулов Ф.Х. Способ восстановления штоков гидроцилиндров / Ф. X. Бу-румкулов, С. А. Величко, П. В. Чумаков // Труды ГОСНИТИ. - 2011. - Т. 107, - 2. -С. 50-53.

2. Величко С. А. Технология восстановления штоков гидроцилиндров комбинированным методом / С. А. Величко, П. В. Чумаков // Сель, механизатор. - 2011. -№ 7. - С. 36-37.

3. Бурумкулов Ф.Х. Ресурсосбережение на основе повышения межремонтной наработки силовых гидроцилиндров / Ф. X. Бурумкулов, С. А. Величко, П. В. Чумаков//Труды ГОСНИТИ.-2012.-Т. 109,-1.-С. 110-114.

4. Бурумкулов Ф. X. Металлографические исследования комбинированных покрытий / Ф. X. Бурумкулов, С. А. Величко, П. В. Чумаков // Труды ГОСНИТИ. -2013.-Т. 111,-2.-С. 142-146.

Статьи в других изданиях

5. Бурумкулов Ф.Х. Анализ причин потери работоспособности силовых цилиндров гидросистем тракторов / Ф. X. Бурумкулов, С. А. Величко, П. В. Чумаков // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем: материалы Вссрос. науч.-техн. конф. - Саранск, 2009. - С. 23-25.

6. Чумаков П. В. Анализ методов оценки технического состояния гидроцилиндров /П. В. Чумаков // Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК : материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Саранск, 2011. - С. 211-217.

Авторские свидетельства на изобретения, полезные модели:

7. Пат. 110435 Российская Федерация, МПК Б15В19/00. Устройство для ресурсных испытаний гидроагрегатов / С.А. Величко, Ф. X. Бурумкулов, П. В. Сенин, П. В. Чумаков, А. В. Мартынов; патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»; Всерос. научн.-исслед. технол ин-т ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка. - № 2011116565 ; заявл. 26.04.2011 ; опубл. 20.11.2011, Бюл. № 32. - 1 е.: ил.

8. Пат. 118577 Российская Федерация, МПК В24В5/00. Устройство для финишной обработки наружных цилиндрических поверхностей / С. А. Величко, Ф. X. Бурумкулов, П. В. Сенин, П. В. Чумаков, А. В. Мартынов, патентообладатель ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева». -№2012107289 ; заявл. 28.02.2012 ; опубл. 27.07.2012, Бюл. №21. - 1 е.: ил.

9. Пат. 2476299 Российская Федерация, МПК В23Р6/00, В23Н9/00, С23С28/00. Способ ремонта гидроцилиндров / С. А. Величко, Ф. X. Бурумкулов, П. В. Чумаков, патентообладатель ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева». - № 2011149067 ; заявл. 01.12.2011 ; опубл. 27.02.2013, Бюл. №6.-5 е.: ил.

10. Пат. 129580 Российская Федерация, МПК И5В19/00. Устройство для оценки технического состояния гидроцилиндров / Ф. X. Бурумкулов, П. В. Сенин, С. А. Величко, П. В. Чумаков, патентообладатель ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»; Всерос. Научн.-исслед. технол ин-т ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка; ООО «Агросервис». -№ 2013100650 ; заявл. 09.01.2013 ; опубл. 27.06.2013, Бюл. №18.-1 е.: ил.

Подписано в печать 21.11.13. Объем 1,0 п. л. Тираж 150 экз. Заказ № 1624.

Типография Издательства Мордовского университета 430005, г. Саранск, ул. Советская, 24

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.П. ОГАРЕВА»

ТЕХНОЛОГИЯ РЕМОНТА СИЛОВЫХ ГИДРОЦИЛИНДРОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОИСКРОВЫМ МЕТОДОМ

05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания

в сельском хозяйстве

На правах рукописи

04201450416

ЧУМАКОВ ПАВЕЛ ВАСИЛЬЕВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Величко С. А.

Саранск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 6

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...... 13

1.1 Исследование эксплуатационной надежности и анализ причин отказов гидроцилиндров....................................................... 13

1.2 Анализ существующих методов и средств оценки технического состояния гидроцилиндров......................................... 23

1.3 Анализ способов ремонта гидроцилиндров и повышения их ресурса......................................................................... 26

1.4 Особенности электроискровой обработки.......................... 33

1.5 Цель и задачи исследования............................................ 38

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ПОВЫШЕНИЮ

МЕЖРЕМОНТНОГО РЕСУРСА СИЛОВЫХ ГИДРОЦИЛИНДРОВ ДО УРОВНЯ НОВЫХ................................................. 40

2.1 Исследование факторов, влияющих на увеличение удельного объема рабочей жидкости, выносимой поверхностью штока...... 40

2.2 Исследования факторов, приводящих к снижению общего коэффициента полезного действия гидроцилиндров................... 47

2.3 Статистическая значимость факторов, влияющих на изменение общего КПД гидроцилиндров методом многофакторного регрессионного анализа..................................................... 53

2.4 Математическое моделирование связи коэффициента полезного действия гидроцилиндров с износами рабочих поверхностей деталей и погнутостью штока............................................. 55

2.5 Основные теоретические зависимости формирования электроискровых покрытий заданной толщины с повышенной контактной сплошностью....................................................... 61

2.6 Теоретическое обоснование толщины покрытий, требуемых

для восстановления поршневого узла.................................... 70

Глава 3. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................... 73

3.1 Программа и структура исследований................................ 73

3.2 Методика исследований технического состояния гидроцилиндров ........................................................................ 74

3.2.1 Методика проведения стендовых исследований функциональных параметров работоспособности новых и бывших в эксплуатации гидроцилиндров............................. 76

3.2.2 Методика микрометражных исследований новых и определение дефектов и износов бывших в эксплуатации гидроцилиндров ............................................................. 81

3.3 Методика планирования многофакторного эксперимента по определению влияния износов деталей сопряжений и величины погнутости штока на работоспособность гидроцилиндра........... 88

3.4 Методика лабораторно-стендовых испытаний ресурсного параметра штокового уплотнительного узла.............................. 96

3.5 Методика исследования режимов формирования электроискровых покрытий для устранения износов и дефектов деталей гидроцилиндров............................................................... 98

3.6 Методика определения опорной поверхности профиля электроискровых покрытий заданной толщины............................ 103

3.7 Методика исследований микротвердости покрытий, образованных методом ЭИО....................................................... 104

3.8 Методика триботехнических испытаний новых и восстановленных электроискровым методом пар трения........................ 106

3.9 Методика эксплуатационных испытаний отремонтированных гидроцилиндров.............................................................. 110

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 112

4.1 Результаты исследований технического состояния новых и бывших в эксплуатации гидроцилиндров.............................. 112

4.1.1 Результаты входного контроля удельного объема рабочей жидкости, выносимой поверхностью штока................ 112

4.1.2 Результаты входного контроля общего КПД гидроцилиндров .................................................................... 114

4.1.3 Результаты микрометражных исследований и повторяемость дефектов деталей гидроцилиндров..................... 116

4.2 Оценка результатов лабораторно-стендовых испытаний ресурсного параметра штокового уплотнительного узла.............. 128

4.3 Результаты исследования режимов формирования электроискровых покрытий для устранения износов и дефектов деталей гидроцилиндров............................................................... 129

4.4 Результаты определения опорной поверхности профиля электроискровых покрытий заданной толщины............................ 134

4.5 Результаты исследований микротвердости покрытий, образованных методом ЭИО........................................................ 135

4.6 Результаты триботехнических испытаний новых и восстановленных электроискровым методом пар трения....................... 136

4.7 Результаты эксплуатационных испытаний отремонтированных гидроцилиндров........................................................ 140

Глава 5. РАЗРАБОТКА НОВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РЕМОНТА СИЛОВЫХ ГИДРОЦИЛИНДРОВ ЭЛЕКТРОИСКРОВЫМ МЕТОДОМ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТИ............................. 145

5.1 Маршрут технологического процесса ремонта гидроцилиндров и технологические рекомендации по восстановлению изношенных поверхностей деталей и устранению дефектов электро-

искровым методом........................................................................................................................145

5.2 Проект типового участка ремонта гидроцилиндров............................152

5.3 Технико-экономическая оценка эффективности разработанного технологического процесса..................................................................................156

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................................................................................................164

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................................................167

Приложения......................................................................................................................................................188

Приложение 1....................................................................................................................................188

Приложение 2....................................................................................................................................193

Приложение 3....................................................................................................................................217

Приложение 4....................................................................................................................................232

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Анализ материально-технического оснащения предприятий АПК свидетельствует о том, что уровень его развития продолжает снижаться. По данным ГОСНИТИ количество тракторов до трех лет службы по всем сельскохозяйственным предприятиям АПК РФ составляет 5,5 %, четыре-восемь лет - 11,3 %, девять лет и более -83,2 %, доля зерноуборочных комбайнов со сроком службы до трех лет составляет 9 %, четыре-восемь лет - 13,7 %, девять лет и более - 77,3 %. Около 75 % машинно-тракторного парка в аграрном секторе российской экономики выработало свой срок службы и требует повышенных затрат на поддержание его в работоспособном состоянии, которые в настоящее время составляют более 65 млрд. руб.

Сложившаяся ситуация представляет серьезную угрозу для обеспечения необходимых объемов производства, насыщения рынка отечественной сельскохозяйственной продукцией, сырьем и продовольствием.

В условиях ограниченных финансовых и материальных ресурсов проблема технического перевооружения сельскохозяйственного производства не может быть решена только за счет увеличения поступления новой техники. Значительная роль в этом процессе отводится разумному использованию имеющегося парка машин, поддержание его технического уровня за счет квалифицированного технического обслуживания и ремонта.

Ремонт агрегатов с восстановлением и упрочнением деталей - технически обоснованное и экономически оправданное мероприятие. Оно позволяет ремонтно-обслуживающим предприятиям и мастерским хозяйств сокращать время простоя неисправных машин, оборудования, улучшать показатели надежности и использования машин.

Известно, что надежность современных тракторов и других сельскохозяйственных машин определяется надежностью агрегатов гидросистемы. Особое место здесь занимает силовой гидроцилиндр. Опыт эксплуатации

гидрофицированных машин показал, что на долю гидроцилиндров приходится 17.. .30 % отказов всей гидросистемы.

По данным ГОСНИТИ, областных, краевых и республиканских структур АПК ежегодно списывается более 340 тыс. силовых гидроцилиндров отечественной и зарубежной сельскохозяйственной техники. Некоторые сельскохозяйственные предприятия вынуждены проводить ремонт собственными силами. При этом из-за отсутствия опыта, технологий и оборудования ресурс отремонтированных агрегатов зачастую не превышает 30-60 % от ресурса новых.

В ряде научных работ доказана высокая эффективность применения метода электроискровой обработки для восстановления деталей гидроагрегатов, в том числе гидронасосов и гидрораспределителей. Однако применение данного метода для восстановления деталей гидроцилиндров не изучено.

В связи с вышеизложенным, разработка и внедрение новой технологии ремонта силовых гидроцилиндров электроискровым методом, позволяющей обеспечить готовность сельскохозяйственной техники, имеет существенное значение для развития страны.

Степень разработанности темы. Анализ и систематизация материалов для постановки научной проблемы и выдвижения общей гипотезы проведены на основании работ Ф. X. Бурумкулова, С. А. Величко, В. Н. Водяко-ва, И. Г. Голубева, В. А. Дидура, В. И. Иванова, П. А. Ионова, А. В. Котина, В. П. Лялякина, В. А. Мачнева, П. В. Сенина, С. П. Сульдина, В. Е. Черкуна, В. И. Черноиванова и других ученых, труды которых посвящены повышению долговечности агрегатов машин и методам восстановления изношенных деталей.

Предлагаемые технологические решения, разработанные в 70-90-х гг. прошлого столетия, ориентированные на массовый и крупносерийный тип производства, утратили практическую значимость. Применяемая на ремонтных предприятиях технология с заменой ремонтных комплектов и устранением локальных дефектов на штоках полуавтоматической сваркой позволяет

отремонтировать не более 70 % гидроцилиндров, при этом их межремонтный ресурс не превышает 30-60 % от доремонтного. Проблема повышения межремонтного ресурса силовых гидроцилиндров восстановлением изношенных поверхностей деталей и устранением дефектов электроискровой технологией до настоящего времени не решалась.

Исследования проведены в соответствии с темой государственного задания Россельхозакадемии № 09.04.03.04 «Разработать типовую технологию ремонта гидроцилиндров Ц-55, Ц-75, Ц-75Б, Ц-90, Ц-100, Ц-110, Ц-125 с восстановлением и упрочнением изношенных деталей комбинированными методами».

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки РФ (проект 7.5566.2011 «Исследование структуры и свойств, новых нано-композитных материалов, полученных с использованием источников концентрированной энергии») и программы У.М.Н.И.К. ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» по теме «Исследование долговечности силовых гидроцилиндров гидроприводов автотракторной техники».

Цель исследования - повышение межремонтного ресурса силовых гидроцилиндров путем восстановления изношенных поверхностей деталей и устранения дефектов электроискровым методом.

Объект исследования - технологический процесс ремонта силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники, обеспечивающий повышение их межремонтного ресурса, созданием на изношенных и дефектных поверхностях деталей электроискровых покрытий.

Предмет исследования - технологическая основа формирования электроискровых покрытий, функционально пригодных для восстановления работоспособности и повышения межремонтного ресурса силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники.

Задачи исследования:

1. Исследовать функциональные параметры работоспособности сило-

вых гидроцилиндров, износов и дефектов силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники и установить зависимость снижения общего КПД от износов деталей ресурсоопределяющих соединений.

2. На основе анализа аналитических зависимостей факторов, влияющих на параметры работоспособности, определить пути повышения межремонтного ресурса силовых гидроцилиндров серии С при ремонте.

3. Разработать технологическую основу формирования электроискровых покрытий заданной толщины с повышенной контактной сплошностью и определить рациональные режимы восстановления изношенных поверхностей и устранения дефектов деталей силовых гидроцилиндров.

4. Определить физико-механические и триботехнические свойства электроискровых покрытий.

5. Провести эксплуатационные испытания и определить значения 80-процентных ресурсов силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники, отремонтированных с восстановлением изношенных поверхностей деталей и устранением дефектов электроискровым методом.

6. Разработать технологический процесс ремонта силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники, обеспечивающий повышение их 80-процентного межремонтного ресурса до уровня доремонтного, и определить технико-экономическую эффективность его внедрения на предприятиях АПК.

Научную новизну работы представляют:

1) закономерности распределения функциональных параметров работоспособности силовых гидроцилиндров, износов и дефектов рабочих поверхностей деталей;

2) аналитические зависимости влияния износов деталей ресурсоопределяющих соединений и погнутости штока на общий КПД и величину удельного объема выносимой рабочей жидкости;

3) математическая модель связи коэффициента полезного действия с износами рабочих поверхностей деталей и погнутостью штоков силовых

гидроцилиндров сельскохозяйственной техники, их допустимые значения при ремонте;

4) энергетические и кинетические зависимости формирования электроискровых покрытий из бронзы БрКМцЗ-1 на чугуне СЧ21 и стали 40Х и их физико-механические и триботехнические свойства;

5) значения 80 %-ных ресурсов силовых гидроцилиндров, отремонтированных с восстановлением изношенных поверхностей деталей и устранением дефектов электроискровым методом;

6) новый технологический процесс ремонта силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники электроискровым методом, обеспечивающий 80-процентный межремонтный ресурс на уровне доремонтного.

Практическую значимость работы представляют:

1) допустимые значения износов рабочих поверхностей деталей ресур-соопределяющих соединений гидроцилиндров и величина погнутости штоков;

2) рациональные режимы формирования электроискровых покрытий заданной толщины с повышенной контактной сплошностью на чугуне СЧ21 и стали 40Х;

3) устройство для оценки технического состояния силовых гидроцилиндров (патент на полезную модель № 129580, дата приоритета 09.01.2013);

4) устройство для ресурсных испытаний гидроагрегатов (патент на полезную модель № 110435, дата приоритета 26.04.2011);

5) устройство для финишной обработки наружных цилиндрических поверхностей (патент на полезную модель № 118577, дата приоритета 28.02.2012);

6) способ ремонта силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники (патент на изобретение № 2476299 «Способ ремонта гидроцилиндров», дата приоритета 01.12.2011).

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием известных положений теории надежности, теории механизмов

машин, теории трения, теории о физической природе механизма эрозии материалов.

Экспериментальные исследования выполнены по общим и частным методикам с использованием современного научно-исследовательского оборудования и средств измерений лаборатории «Технологии и средства создания покрытий с заданными служебными свойствами» Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева.

Обработка результатов исследований проведена с использованием методов теории вероятности и математической статистики с помощью пакетов прикладных программ «Statistica 8.0» и «Excel 2010».

Научные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Статистическая оценка функциональных параметров работоспособности силовых гидроцилиндров, износов и дефектов рабочих поверхностей деталей.

2. Теоретическое обоснование повышения межремонтного ресурса силовых гидроцилиндров на основе анализа аналитических зависимостей влияния факторов на параметры работоспособности.

3. Технологическая основа формирования электроискровых покрытий заданной толщины с повышенной контактной сплошностью.

4. Результаты экспериментальных исследований физико-механических и триботехнических свойств покрытий, полученных методом электроискровой обработки.

5. Результаты эксплуатационных ресурсных испытаний силовых гидроцилиндров, отремонтированных с восстановлением изношенных поверхнос�