автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Восстановление гильз цилиндров дизельных двигателей сельскохозяйственной техники композитным покрытием на основе железа

На правах рукописи

ЖИВОГИН Александр Анатольевич

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ КОМПОЗИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ВГТУ»)

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Жачкин Сергей Юрьевич

Официальные оппоненты: Ли Роман Иннокентьевич,

доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет», кафедра «Транспортные средства и техносферная безопасность», заведующий

Задорожний Роман Николаевич,

кандидат технических наук, государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии), лаборатория № 11 «Ремонта деталей и узлов электроискровыми методами им. заслуженного деятеля науки и техники РФ Бурумкулова Ф.Х.», старший научный сотрудник

Ведущая организация - ОАО «Научно-исследовательский институт автоматизированных средств производства и контроля» (ОАО НИИАСПК) (г. Воронеж)

Защита диссертации состоится 05 июня 2014 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная 101, корп. 1, зал заседаний диссертационных советов, тел./факс (47545) 5-32-13, E-mail: dissov@ingau.ru.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МичГАУ и на сайте www.mgau.ru,c авторефератом - на сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации

www/S^kxigStBl-

Автореферат разослан « /Г» CitvfMt^}_2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

В.Ю. Ланцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективное использование машин и оборудования обеспечивается высоким уровнем их технического обслуживания и ремонта, наличием необходимого числа запасных частей. Если учесть, что затраты на запасные части достигают 50...70% от себестоимости ремонта машин, а стоимость восстановленных деталей составляет 30...60% от стоимости новых, то проблема восстановления и повторного использования отслуживших свой срок деталей является актуальной.

В связи с этим, в концепции модернизации инженерно-технической системы сельского хозяйства России на период до 2020 года большое внимание было уделено направлению повышения технического уровня сельскохозяйственной техники путем ее модернизации при техническом сервисе, восстановлению и упрочнению деталей с применением новых технологических процессов, доведению коэффициента технической готовности машинно-тракторного парка до 95.. .98%.

Наиболее ответственным агрегатом современных сельскохозяйственных машин является двигатель, на долю которого приходится 36...52 % от общего количества отказов. Ресурс двигателя зависит от износа деталей ци-линдро-поршневой группы (ЦПГ), в первую очередь это относится к гильзам цилиндров. Недостаточная долговечность деталей ЦПГ, межремонтный ресурс которых не превышает 40% от ресурса двигателя, требует частой замены в процессе эксплуатации.

Основными способами восстановления работоспособности гильз цилиндров являются расточка или шлифование под ремонтный размер, контактная приварка стальной ленты, индукционная центробежная наплавка, термопластическое деформирование, электродуговая металлизация, постановка дополнительной ремонтной детали, хромирование и железнение. Основными недостатками всех способов является воздействие высоких температур, высокая стоимость материалов, недостаточное качество восстановленной поверхности, сложная и дорогостоящая механическая обработка до и после восстановления, недостаточный послеремонтный ресурс.

Перспективным направлением восстановления гильз цилиндров является разработка технологии нанесения композитных покрытий на основе железа, исключающее применение механической обработки до и после восстановления. Настоящая работа посвящена разработке технологии восстановления гильз цилиндров дизельных двигателей сельскохозяйственной техники

композитным покрытием на основе железа, обеспечивающим повышение долговечности и снижение себестоимости восстановленных деталей.

Степень разработанности темы. Анализ исследований показывает, что все существующие методы восстановления гильз дизельных двигателей используют механическую обработку восстанавливаемой поверхности. Однако, такой подход не только ведет к удорожанию производства, но и значительно сокращает процент восстановленных деталей. Восстановление деталей гальваническими композитными покрытиями позволяет избежать вышеназванных недостатков. Однако, крайне мало исследований и рекомендаций по нанесению данного типа покрытий на чугуны, которые применяются для изготовления гильз цилиндров дизельных двигателей. Работа выполнялась в соответствии с комплексной целевой программой ГБ работы кафедры «Автоматизированное оборудование машиностроительного производства» ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет «Теория и практика машиностроительного производства» 2009.39.

Цель работы - повышение долговечности и снижение себестоимости восстановления гильз цилиндров дизельных двигателей сельскохозяйственной техники способом гальваноконтактного осаждения композитного покрытия на основе железа.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач исследования:

1. Построение модели формообразования толстослойных композитных покрытий на основе железа с остаточными напряжениями сжатия.

2. Разработка технологии нанесения композитных покрытий на основе железа.

3. Разработка регрессионных моделей, связывающих технологические параметры восстановления деталей с физико-механическими свойствами рабочих поверхностей изделий, анализ реализации которых обеспечивает рекомендации по применению предложенной технологии.

4. Разработка оборудования и конструкции электродов-инструментов, позволяющих получать методом ГКО высококачественные толстослойные покрытия на цилиндрических поверхностях.

Объект исследований - композитные гальванические покрытия на основе железной матрицы, нанесенные способом гальваноконтактного осаждения (ГКО) на внутреннюю изношенную поверхность гильзы цилиндра двигателя.

Предмет исследования - физико-механические характеристики композитных гальванических покрытий, полученных методом ГКО и закономерности их формообразования.

Методика исследования. Исследования проводились с использованием методов системного анализа, теории электрохимического формообразования и обеспечения требуемого качества поверхностного слоя. Экспериментальные исследования и обработка полученных данных проводились с использованием современных методик, а постановка и обработка результатов эксперимента с применением методов математической статистики. Результаты исследований обрабатывались с использованием методов дисперсионного и регрессионного анализа.

На защиту выносятся:

• теоретические предпосылки повышения физико-механических свойств гальванических покрытий при введении в них дисперсных наполнителей;

• результаты экспериментальных исследований по физико-механическим и эксплуатационным характеристикам покрытий, нанесенных методом ГКО;

• технология восстановления внутренних цилиндрических поверхностей гильз цилиндров двигателей гальваническим композитных покрытием на основе железа без применения предварительной и последующей механической обработки;

• Конструкция инструмента для получения качественных гальванических композитных покрытий на внутренних цилиндрических поверхностях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена модель формирования композитных покрытий со сжимающими остаточными напряжениями, отличительной особенностью которой является возможность расчета напряжений в каждом слое покрытия, что позволяет прогнозировать напряжения не только на поверхности (т.е. в конечном слое покрытия), но и в каждом его отдельном слое (т.е. по толщине).

2. Получены математические модели, связывающие условия обработки с физико-механическими, и, как следствие, эксплуатационными характеристиками получаемых покрытий при восстановлении деталей методом ГКО, отличающиеся от известных учетом как гальванической, так и механической составляющей процесса нанесения покрытий.

3. Разработан способ получения композитных гальванических покрытий на внутренних цилиндрических поверхностях, отличающийся тем, что процесс ведется при переменном давлении инструмента на обрабатываемую поверхность в зависимости о!1 ее износа.

Теоретическая значимость заключается в обосновании и разработке технологии нанесения композитных гальванических покрытий на чугунных гильзах цилиндров дизельных двигателей с целью увеличения их долговечности, работоспособности, что развивает аппарат теории электрохимических и электрофизических методов обработки

Практическая значимость работы. Разработан способ, позволяющий получать композитные покрытия на основе железной матрицы с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами на внутренних цилиндрических поверхностях гильз цилиндров дизельных двигателей. Разработаны электроды-инструменты (патент № 100520) для осуществления способа, позволяющие получать восстановлением по методу ГКО высококачественные композитные покрытия с заданными параметрами поверхностного слоя.

Достоверность полученных в диссертационной работе научных результатов обеспечивается обоснованным выбором основных допущений и ограничений, соответствующим конкретным условиям и особенностям функционирования гильз дизельных двигателей сельскохозяйственной техники; корректным использованием современного апробированного математического аппарата исследований, в частности теории электрохимикофизиче-ских методов обработки; удовлетворительным совпадением данных математического моделирования с данными, полученными в ходе натурных экспериментальных исследований на базе действующих образцов сельскохозяйственной техники; апробацией результатов, выводов и рекомендаций на всероссийских и международных конференциях, публикациях в центральных и ведомственных изданиях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, докторантов и аспирантов Воронежского государственного технического университета в 2007...2014 гг.; региональной научно-технической конференции «48 научно-техническая конференция ВГТУ», ВГТУ (г. Воронеж), 2008 г.; региональной научно-технической конференции «49 научно-техническая конференция ВГТУ», ВГТУ (г. Воронеж), 2009 г.; международной научно-практической конферен-

ции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК», Мич-ГАУ (г. Мичуринск), 2010 г.; XVI Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства» ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, (г. Тамбов), 2011 г. VII Международная научно-практическая конференция «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей», Москва 2011; VII Международная научно-практическая конференция «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин», Москва 2012.

Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано 35 печатных работ, в том числе четыре статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент на полезную модель № 100520 РФ.

В статьях, выполненных в соавторстве, лично соискателем разработаны модели формообразования композитных покрытий на основе железа с остаточными напряжениями сжатия [1, 3, 4, 5, 9-17], определена последовательность технологических операций нанесения композитных покрытий [2, 6-8, 18 - 30], исследованы влияния режимов ГКО на физико-механические и эксплуатационные характеристики покрытий на чугунных деталях [6, 12, 16], разработаны конструкции электродов-инструментов, позволяющие получать методом ГКО высококачественные покрытия [7, 9, 10, 15].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения , списка литературы и приложений. Работа изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 18 таблиц, 9 приложений и библиографию из 137 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность темы и проблемы инженерно-технического обеспечения агропромышленного комплекса.

В первой главе «Состояние вопроса. Способы восстановления изношенных внутренних поверхностей гильз цилиндров. Цели и задачи исследования» проанализированы условия работы, характер изнашивания и величина износов гильз цилиндров, существующие способов восстановления изношенных внутренних цилиндрических поверхностей гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Обоснованы преимущества применения гальванических покрытий по сравнению с другими способами восстановления. Показано, что все существующие на данный момент способы восстанов-

ления деталей электроосаждением не позволяют исключить из технологического процесса операции механической обработки, являющиеся наиболее трудоемкими и дорогостоящими. Для решения проблемы предложен принципиально новый способ восстановления деталей - гальвано-контактное осаждение (ГКО) композитных покрытий. Он заключается в послойном деформировании покрытия при его осаждении с одновременным массовым переносом частиц карбида титана в покрытие. Это позволяет получить целый ряд преимуществ: во-первых, способ обеспечивает разную скорость осаждения покрытия на различные участки восстанавливаемой поверхности в зависимости от их износа, что позволяет устранять геометрические погрешности деталей, вызванные износом, не прибегая к традиционной механической обработке деталей до восстановления, во-вторых, регулируемое внедрение мелкодисперсных частиц в покрытие, позволяет повысить его микротвердость и износоустойчивость по сравнению с покрытиями, полученными по традиционной технологии.

Однако, необходимы теоретические исследования, которые позволят разработать технологию размерного восстановления внутренних цилиндрических поверхностей гильз цилиндров ДВС сельскохозяйственной техники композитным покрытием на основе железной матрицы.

На основании проведенного анализа в диссертационной работе сформулированы следующие задачи исследований:

1. Разработать устройство и конструкции технологической оснастки для осуществления метода ГКО на основе железной матрицы на внутренние цилиндрические поверхности.

2. Разработать модель формообразования композитных гальванических покрытий на основе железа.

3. Исследовать влияния режимных параметров нанесения композитных покрытий на основе железа на их физико-механические и эксплуатационные характеристики.

4. Определить технологические режимы нанесения композитных покрытий на основе гальванического железа, обеспечивающие требуемые физико-механические свойства покрытия при нанесении его на внутренние цилиндрические поверхности.

5. Разработать и внедрить технологии ГКО железных композитных покрытий на внутренних цилиндрических поверхностях гильз цилиндров автотракторных двигателей и дать технико-экономическую оценку ее использования.

Вторая глава «Моделирование процесса нанесения композитных покрытий на основе железа на внутренние цилиндрические поверхности» посвящена разработке механизма формообразования композитного покрытия при его непрерывном росте.

Общий вид уравнения нагружения покрытия при его гальваническом нанесении, согласно Молчанову В.Ф. будет иметь следующий вид:

V

2ц-

х ' т I ®---+

кгсР

5.

I

(1)

где: Рцкр - максимальное давление инструмента на покрытие в процессе его осаждения, МПа;

кг - предел текучести наполнителя МПа;

а.и т — коэффициенты, рассчитываемые по рекомендации справочника; с! - постоянная, характеризующая свойства материала матрицы; с2 - постоянная, характеризующая свойства материала наполнителя; Ср - коэффициент, учитывающий схему действия внешних сил; е¡' - заданная скорость деформации покрытия, м/мин; г - период воздействия на определенную точку покрытия, мин; / - длина используемого инструмента, м; /и - эффективный модуль сдвига получаемого композита, МПа; <5,; - толщина элементарного слоя композита в месте контакта с инструментом, м.

Рассмотрим схему деформирования осаждаемого покрытия (рис 1), принимая во внимание, что течение деформируемого материала покрытия происходит по кратчайшим нормалям к периметру сечения. Касательные напряжения на контактной поверхности считаем постоянными. Участками падения касательных напряжений пренебрегаем ввиду их малозначительности. Выражение для определения давления инструмента в этом случае примет вид (2), проинтегрировав которое и учитывая площадь контакта, получим выражение (3) для определения давления инструмента, при котором в покрытии будут формироваться заданные напряжения, что позволит управлять физико-механическими и эксплуатационными свойствами покрытий.

(3)

Подавляющее большинство гильз цилиндров двигателей имеет длину рабочей поверхности, подлежащей восстановлению, большую, чем длина одного контактирующего элемента. Поэтому для полного охвата восстанавливаемой поверхности следами инструмента необходимо использовать сразу несколько инструментальных пластин, контактирующих с деталью, объединенных в один инструментальный блок. Для полной обработки восстанавливаемой поверхности инструментальной головкой следы соседних инструментальных пластин должны перекрывать друг друга на какую-либо определенную величину. Амплитуда продольных возвратно-поступательных перемещений инструмента при этом рассчитывается по формуле:

где Ь - величина перекрытия следов инструмента, м (рациональная величина «(З...7)х10~3 м).

а - осевое расстояние между соседними инструментальными брусками в головке ГКО, м;

После преобразований получим условие для полного охвата восстанавливаемой поверхности следами инструмента:

КЛхг{К+а) + Ь (5)

где к,-, - высота инструментального бруска в головке ГКО, м;

хй - число инструментальных брусков в головке ГКО, шт; В третьей главе «Методика исследований и пути решения задач» изучался технологический процесс восстановления внутренней изношенной поверхности гильз цилиндров методом ГКО с получением на ней износостой-

Р = <т,

1 +

а

31] а ' 1г

у

щ

№ :

/7(77 на осноВе железной матрицы

' Деталь

Рисунок 1 - Схема деформирования покрытия при осаждении

ких пористых композитных покрытий на основе железной матрицы со сжимающими остаточными напряжениями и повышенной адгезией к основе.

Исследования проводились на образцах, изготовленных из чугуна ГОСТ 655-75, диаметром 40 мм и длиной 65мм, закаленных ТВЧ на глубину не менее 1,5 мм. Для проведения эксперимента был специально разработан и апробирован новый технологический процесс, наиболее полно удовлетворяющий способу восстановления ГКО.

Покрытия осаждались в стандартном электролите железнения, содержащем 300-350 г/л РеС12'4Н20 ТУ 6-02-609-86, нашедшем широкое применение на восстановительных предприятиях. Для проведения экспериментальных исследований электролит приготавливался из реактивов «ХЧ» и «ЧДА» на дистиллированной воде.

В качестве анодов использовались пластины, нарезанные из полос стали марки 10 ГОСТ 1050-88. Аноды располагались в чехлах, изготовленных из фильтровальной ткани из стеклянного волокна ГОСТ 8481-75. Отношение площади 8а:5к= 1...2.

Температура электролита поддерживалась с точностью 1К при помощи термометра ТПП - 11 ГОСТ 13717 - 74 и контролировалась термометром ТН 5 ГОСТ 400 - 80 с ценой деления шкалы 0,2К. Плотность электролита измерялась ареометром АЭ-1 ГОСТ 18481-81, кислотность рН - метромилли-вольтметром модели рН - 121. Корректировка электролита, его анализ проводились по известной методике. Фильтрация электролита была постоянной.

Анодное травление и нейтрализацию проводили в щелочном электролите, содержащем 200 - 250 г/л каустической соды, 100 г/л кальцинированной соды, 5 - 10 г/л жидкого стекла, остальное - вода.

Исследования проводились на специально разработанной и спроектированной экспериментальной установке для восстановления внутренних цилиндрических поверхностей. На установке возможно широкое изменение параметров: давления инструмента, межэлектродного расстояния, температуры электролита, плотности тока, скорости главного и вспомогательного движения. Общий вид установки показан на рисунке 2.

Шероховатость поверхности получаемых покрытий определялась на профилографе - профилометре МкиЮуо 81-201 Р.

Микротвердость осажденных покрытий измерялась на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке на пирамиду 0,49 Н по методу восстановленного отпечатка с применением в качестве наконечника алмазной четырехгранной пирамиды с квадратным основанием по ГОСТ 9450-76. Исходя из условий

работы гильз цилиндров и свойств электроосажденных железных покрытий, проводились исследования влияния температуры нагрева на изменение микротвердости осаждаемого покрытия.

Коррозионные испытания проводились в камере соляного тумана КСТ-2 в атмосфере распыленного раствора хлористого натрия концентрацией 50 г/дм3 при температуре 35°С по ГОСТ 9.308-85 в течении 24 часов. Раствор изготавливался путем растворения ЫаС1 ГОСТ 4233-77 в дистиллированной воде ГОСТ 6709-72. Образцы готовили по ГОСТ 9.909-86. Маслоемкость определялась в соответствии с ГОСТ 9.302—88.

Образец с покрытием взвешивали, погружали в масло, нагретое до температуры 130°С, и выдерживали в нем до температуры 25°С. Затем образец извлекали, удаляли избыток масла фильтровальной бумагой и взвешивали.

Износостойкость покрытий определялась на машине трения МИ по схеме «ролик-колодка» в условиях сухого трения весовым методом в соответствии с ГОСТ 23.224-86. Параллельно проводились сравнительные испытания гильз цилиндров восстановленных ГКО и новой на одноцилиндровом четырехтактном двигателе и ускоренные стендовые испытания на дизельном двигателе СМД-60 с введением в масло кварцевого песка.

Толщину покрытия определялась с помощью кулонометрического толщиномера Лимеда - ДЕМ по ГОСТ 9.302—88.

Адгезия исследовалась путем отрыва конических штифтов нормально приложенной силой согласно ГОСТ 9.301-86, ГОСТ 9.302-88 с учётом требований ОСТ 92-1436-81.

Определение остаточных напряжений в осажденном покрытии проводилось методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН-З.О.

Наводораживание определялось нагревом образцов в вакууме с последующим пересчетом выделившегося водорода на 100 г металла по известной методике. Исследования проводились на установке конструкции Воронежского государственного технического университета.

I - рама; 2 - головка ГКО; 3 - токоподвод; 4 - ванна; 5 - пульт управления; 6 - ванна промывки Рисунок 2 - Экспериментальная установка

В четвертой главе «Экспериментальное исследование процесса нанесения композитных покрытий на основе железа и свойств получаемых покрытий» приведены результаты исследований влияния основных показателей ГКО на физико-механические и эксплуатационные характеристики получаемых композитных покрытий. Получено уравнение регрессии, описывающее зависимость производительности процесса от параметров осаждения:

/у = 1,05+ 0,196/-0,01/? (6)

Интервалы варьирования факторов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные характеристики эксперимента

Уровни факторов ¡, А/дм2 °С Р, МПа V * гл> м/мин * всп> мин"1

Основной уровень 27 80 1,5 3 120

Интервал варьирования 3 10 0,5 2,5 40

Верхний уровень 30 90 2,0 5,5 160

Нижний уровень 24 70 1,0 0,5 80

Как показала практика, наибольшая производительность, равная 6,7 мкм/мин при нанесении покрытий на чугун достигается при рациональных режимах (катодная плотность тока ¡к - 28 А/дм2, давление инструмента на восстанавливаемую поверхность 1,6 МПа, температура электролита! - 87° С, Угл - 4 м/мин, Увсп - 146 мин"1.

Экспериментальные данные, полученные в ходе практической апробации технологии, показывают, что производительность процесса при восстановлении деталей по методу ГКО в 1,5-2 раза превосходит скорость осаждения покрытий при стандартном процессе гальванического железнения.

Уравнение регрессии, описывающее зависимость микротвердости от параметров осаждения имеет вид:

Ни =6709,83 + 100»-15,983/ + 155,\6р (7)

Как показала практика, наиболее рациональной плотностью тока является значение 28 А/дм2, так как позволяет осаждать композитные покрытия с наилучшим качеством. Дальнейшее увеличение плотности тока, немного увеличивая скорость осаждения покрытий, дает значительное ухудшение их качества. В связи с этим, пространственный отклик регрессионной модели представленный на рисунке 3 построен для плотности тока 28 А/дм2. На рисунке 4 показана номограмма для определения режимных параметров обработки с целью получения композитных покрытий на основе железа заданной микротвердости. Микротвердость композитных железных покрытий, полу-

ченных способом ГКО, соответствует значениям 8300 - 8700 МПа, а полученных стандартным железнением 6500 - 6700 МПа.

Исследование влияния рабочей температуры двигателя на износостойкость полученных покрытий показано на рисунке 5.

30 График поверхности (Микротвердость) Функция = 9509,03-15,983*Х+155,16"у

/ / : / ' ' / / /

/ / / / /

7 / / /

/......./........../ / ........./.........................

7 // 7 /

/ У V У

/ / V /

/ / / /

/ / /

70 73 74 76 78 80 82 84 Температура электролита. °С

Рисунок 3 - Отклик регрессионной Рисунок 4 - Микротвердость (МПа) ком-

модели при I = 28 А/дм"

позитных железных покрытий при I = 28 А/дм2.

Многие авторы объясняют факт снижения микротвердости при повышении температуры наличием искажения кристаллической решетки материала, вызванной температурным нагревом. Способ ГКО в силу своей сущности, основан на искажении кристаллической решетки материала покрытия в процессе его осаждения, поэтому покрытия, осажденные этим методом не подвержены эффекту изменения микротвердости в температурном режиме до 300 °С, которая при нагреве ниже этой температуры остается постоянной.

Дальнейшее повышение температуры снижает микротвердость у всех видов покрытий, однако, осадки, полученные методом гальваноконтактного осаждения, остаются все время за период испытаний на уровне более высокой микротвердости и имеют более низкую скорость ее снижения.

«--------^ ---------

7200 - к ч

6200 \

\ \ л

\\

1200 • 200

• млвратура, 'С

Железьение ГКО Железна нио ГМО

» Стандартное ж

Рисунок 5 - Влияние температуры на микротвердость железных покрытий

Такая тенденция зависимости микротвердости от температуры наблюдается до 600 °С у стандартных покрытий и покрытий, полученных способом гальваномеханического осаждения (ГМО) и до 700 °С для покрытий полученных ГКО. При превышении этой температуры происходит резкое снижение микротвердости покрытий всех типов, и уже при температуре 900 °С микротвердость стандартного покрытия и покрытия, полученного способом ГМО составляет 1100 - 1200 МПа, тогда как покрытия, полученные ГКО сохраняют микротвердость на уровне 4000 МПа. Уравнение регрессии, описывающее зависимость наводороживания от параметров осаждения имеет вид:

Hz =8,44-0,12/-0,03f-0,68/7 (8)

Установлено, что содержание водорода в покрытии при рациональных режимах его осаждения колеблется от 2,1 до 2,4 мл/100 г покрытия, что в 28 + 91 раза меньше, чем при стандартной технологии осаждения железных покрытий.

Уравнение регрессии, описывающее зависимость остаточных напряжений от параметров осаждения имеет вид:

<т = -159,321 + 2,33/-0,555/-9,042/? (9)

Как показала практика, рациональным давлением инструмента является 1,0-2,0 МПа. Исследование распределения остаточных напряжений в покрытии в зависимости от его толщины, проведенные на дифрактометре «Дрон - 3» методом рентгеноструктурного анализа. Как установлено способ ГКО позволяет получать композитные железные покрытия со сжимающими остаточными напряжениями при толщинах покрытия до 750 мкм на сторону, что невозможно другими способами электроосаждения.

Регрессионное уравнение, описывающее зависимость шероховатости от параметров осаждения имеет вид:

R„ =0,108 + 0,002/-0,004K„-0,0001К„„, (10)

Значения шероховатости покрытий, полученных методом ГКО соответствуют Ra = 0,12 - 0,16 мкм без механической обработки покрытия. Адгезия покрытия достигает максимума при t = 90° С, а затем остается примерно постоянной (424 - 440 МПа).

Сравнительные испытания, проведенные на одноцилиндровом двигателе, показали, износ гильз, восстановленных ГКО композитных покрытий на основе железа, был в 2-4 раза меньше чем новых.

В качестве рациональных, можно выделить следующие интервалы режимов осаждения композитных железных покрытий: катодная плотность тока 26,..28 А/дм2, давление инструмента на восстанавливаемую поверхность р

= 1,0-1,5 МПа, температура электролита 65 - 70 °С, скорость главного движения 3,5 - 4,5 м/мин, скорость вспомогательного движения 100 - 120 мин'1.

Маслоемкость и шероховатость восстановленных гильз цилиндров представлена в таблице 2.

Таблица 2 - Значения показателей маслоемкости и шероховатости восстановленных и расточенных гильз цилиндров.

Наименование показателя Ед. измер. Вид обработки

расточка абразивное хонинго-вание плосковершинное хонинго-вание ГКО

Яа мкм 6,96...7,68 0,18...0,32 0,30...0,57 0,12...0,16

Яг мкм 38,15..67,31 0,98...2,14 2,81... 5,04 0,6...0,8

Бт мм3/см2 0,012...0,027 0,001...0,004 0,016...0,024 0,029...0,037

Анализ данных таблицы 2 показывает, что обработка способом ГКО позволяет получить плосковершинную поверхность с наибольшей маслоем-костью 5/и порядка 0,029...0,037 мм3/см2, что немного выше, чем после плосковершинного хонингования при практически одинаковой опорной длине профиля поверхности.

В ходе исследований было выявлено, что микропрофиль поверхности после ГКО представляет собой чередование относительно плоских участков и впадин для удержания смазочного материала. Такой профиль сходен с профилем, образовавшимся в ходе эксплуатации. При этом глубина впадин у поверхностей после ГКО больше, чем после абразивного хонингования и плосковершинного хонингования и, соответственно, больше маслоемкость, что обуславливает меньший износ при эксплуатации.

Испытания показали, что коррозионная стойкость покрытий, восстановленных способом ГКО, почти в 4 разы выше чем у покрытий, полученных стандартным железнением.

В пятой главе «Технология гальваноконтактйого восстановления внутренних цилиндрических поверхностей гильз цилиндров двигателей» приведены разработанная технология восстановления, оборудование, и экономическая эффективность восстановления гильз цилиндров двигателей ГКО композитных покрытий на основе железа.

Разработанная технология размерного восстановления гильз цилиндров сельскохозяйственной техники внедрена на ООО «Ремсервис», г. Воронеж.

Для оценки надежности восстановленных гильз с апреля по октябрь 2012 года проводили эксплуатационные испытания сельскохозяйственной техники. За период испытаний отказов машин по причине выхода из строя или повышенного износа гильз, восстановленных композитным гальваническим покрытием на основе железа, не наблюдалось.

Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО ВГТУ при изучении дисциплин «Проектирование инструментов» и «Надежность технических систем».

Расчеты показали экономическую эффективность технологии гальваноконтактного восстановления внутренних цилиндрических поверхностей гильз дизельных двигателей сельскохозяйственной техники композитным покрытием на основе железной матрицы. Технология внедрена на ООО «Ремсервис» г. Воронеж.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Комбинированный способ восстановления деталей, заключающийся в совместном гальваническом осаждении железа на изношенную поверхность и упруго-пластического деформирования каждого слоя наносимого покрытия с одновременным введением в него мелкодисперсного карбида титана представляет научный и практический интерес. Предложены установка и инструмент для получения качественных гальванических композитных покрытий на внутренних цилиндрических поверхностях, отличительной особенностью которых является то, что прижимная поверхность выполнена в виде сегментов, имеющих возможность свободного перемещения относительно базовой оси.

2. Разработаны способ и устройство для восстановления гильз двигателя внутреннего сгорания нанесением гальванического композитного покрытия на основе железа, исключающие операции предварительной и финишной обработки, обеспечивающие необходимую износостойкость поверхностного слоя, адгезию к основе, устойчивость покрытия к износу при повышении рабочей температуры поверхностного слоя, создающие микропрофиль поверхности, обеспечивающий рациональную маслоемкость поверхности, что в комплексе ведет к увеличению ресурса детали более, чем в 1,5 раза.

3. Получены: математическая модель формирования композитных покрытий на основе железа со сжимающими остаточными напряжениями, достигаемыми посредством контролируемого внедрения дисперсного наполнителя в гальваническую матрицу; закономерности осаждения композитного покрытия, позволяющие получать покрытия с заранее заданными физико-механическими свойствами.

4. Экспериментальные исследования подтвердили корректность теоретических положений, разработанных в диссертации. Получены регрессионные модели зависимости производительности, микротвердости, наводо-роживания, остаточных напряжений, адгезии, шероховатости покрытия от режимных параметров его нанесения.

5. Экспериментальными исследованиями установлено, что композитные покрытия, полученные методом ГКО, в зависимости от варьирования режимных параметров, имеют шероховатость = 0,12 - 0,16 при толщине слоя до 700 мкм, что позволяет исключить операции предварительной и финишной обработки, их микротвердость на 28% выше, а скорость изнашивания до 1,5 раза ниже чем у покрытий, полученных традиционным гальваническим железнением.

6. Определен рациональный режим обработки: плотность тока 26 -28 А/дм2, температура рабочей среды 65 - 70 °С, давление инструмента 1 -1,5 МПа. Скорость осаждения покрытия составляет 6,7 мкм/мин, что в 1,4 -1,8 раз превышает стандартную скорость осаждения износостойких стандартных железных покрытий в хлористых ваннах железнения.

7. Разработаны технология и оборудование для восстановления гильз двигателей внутреннего сгорания сельскохозяйственной техники и оборудования. Технология внедрена в ООО «Ремсервис» г. Воронеж. Экономический эффект от внедрения технологии гальваноконтактного нанесения композитных покрытий на основе железа на внутренние поверхности гильз цилиндров двигателей составил 464 руб. на единицу продукции или 928 тыс. рублей при программе восстановления 2000 гильз в год. Разработанная технология рекомендуется к использованию при восстановлении гильз цилиндров дизельных двигателей, в частности СМД - 60.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Живогин, A.A. Гальваноконтактное железнение как способ восстановления изношенной внутренней поверхности гильз цилиндров дизельных двигателей [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин // Труды ГОСНИТИ. - М„ 2012. - Т. 109. - Ч. 2. - С. 72-76.

2. Живогин, A.A. Повышение износостойкости деталей гидроприводов прессового оборудования [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин, H.A. Пеньков, O.A. Сидоркин, В.Ф. Лазукин // Заготовительные производства в машиностроении. - 2012. -№ 8. - С. 38-40.

3. Живогин, A.A. Микротвердость композитных гальванических покрытий на основе железной матрицы [Текст] / С.Ю. Жачкин, В.В. Михайлов, Д.В. Гедзенко, A.A. Живогин // Вестник ВГТУ. - 2012. - Т. 8. - № 6. - С. 5153.

4. Живогин, A.A. Зависимость объемного и сдвигового модуля упругости композитных гальванических покрытий. [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин, H.A. Пеньков // Труды ГОСНИТИ. - М., 2013. - Т. 110. - Ч 2. -С. 164-169.

В изобретениях:

5. Пат. № 100520, Рос. Федерация: МПК С25Д 5/22. Устройство получения композитных гальванических покрытий на внутренних поверхностях: [Текст] / Жачкин С.Ю., Цысоренко П.В., Сидоркин O.A., Живогин A.A.; заявитель и патентообладатель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет» (RU). № 2010116716; заявл. 27.04.2010; опубл. 20.12.2010, бюл. № 35 - 4 е.: ил.

В сборниках научных трудов и материалах конференции:

6. Живогин, A.A. Зависимость свойств композитных гальванических покрытий от размеров упрочняющей фазы [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса. Сб. научн.трудов. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007. - Вып. 9. - С. 66 - 69.

7. Живогин, A.A. Прочность инструментальных материалов с композитным покрытием [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки

производства. Межвуз. сб. науч. тр. Выпуск 3. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. - С. 33 - 40.

8. Живогин, A.A. Нанесение композитных гальванических покрытий на основе железа [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин. // 48 научно-техническая конференция ВГТУ. Секция «Автоматизированное оборудование»: материалы регион, научно-техн. конф. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2008. - С. 30 - 33.

9. Живогин, A.A. Расчет механических параметров осаждения композитных хромовых покрытий методом ГКО [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин, Сидоркин O.A., Сушков Д.П. // Инновации в авиационных комплексах и системах военного назначения. Сб. науч.-метод. материалов науч. практ. конф. ВАИУ, 2009. Вып. 32. - С. 62 - 66.

10. Живогин, A.A. Применение композитного осталивания для восстановления деталей машин [Текст] / С.Ю. Жачкин A.A. Живогин // Теория и практика машиностроительного оборудования: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. - Вып. 17. - С. 67 - 69.

11. Живогин, A.A. Электролиты для получения осадков железа [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009.Вып. 12, С 49-51.

12. Живогин, A.A. Выбор режимов электролиза [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. - Вып. 12. - С. 58 - 61.

13. Живогин, A.A. Возникновение дефектов в металлах при электроли- • зе [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. - Вып. 12. - С. 61 - 64

14. Живогин, A.A. Формирование остаточных напряжений в дисперсно-упрочненных гальванических композитах [Текст] / С.Ю. Жачкин, П.В. Цысоренко, A.A. Живогин // Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК. Матер, международной науч-практ конф. Мичуринск: ФГОУВПО «Мичуринский государственный аграрный университет, Мичуринск, 2010. -С. 64 - 70.

15. Живогин, A.A. Влияние усредненной температуры на поверхности контакта на параметры трения композитных железных покрытий [Текст] / С.Ю. Жачкин, O.A. Сидоркин, A.A. Живогин // Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении (ТМ-2010). Сб. науч. Тр. Междунар. науч-технич. конф. Воронеж: филиал ФГУП ГКНПЦ им. Й.В. Хруничева, Воронеж, 2010. - С. 73 - 77.

16. Живогин, A.A. Решение тепловых задач в компьютерной системе моделирования литейных процессов Pro-CAST для оценки качества оснастки из алюминиевых сплавов для гальвано-контактной обработки [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин, H.A. Пеньков, // Актуальные проблемы инновационных систем информатизации и безопасности. Сб. науч. тр. междунар. Научно-практической конференции. Часть 2 - Воронеж, ИПЦ «Научная книга», 2010.-С. 178-182.

17. Живогин, A.A. Восстановление гидрорегулирующей аппаратуры методом ГКО [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин, H.A. Пеньков, O.A. Сидоркин, B.C. Шварев // Средства аэродромно-технического обеспечения полетов (вып. 1, часть 3). Сб. науч. тр. - Воронеж: Военный авиационный инженерный университет, 2010. - С 67 - 70.

18. Живогин, A.A. Формирование микрогеометрии на осаждаемой поверхности при использовании метода ГКО [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин, H.A. Пеньков, B.C. Шварев // Средства аэродромно-технического обеспечения полетов (вып. 1, часть 3). Сб. науч. тр. - Воронеж: Военный авиационный инженерный университет, 2010. - С. 192 - 195.

19. Живогин, A.A. Настройка инструмента по давлению при осаждении покрытий методом ГКО [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин, H.A. Пеньков, O.A. Сидоркин // 50 Научно-техническая конференция ВГТУ. Секция «Автоматизированное оборудования машиностроительного производства»: тезисы регион, науч.-техн. конф. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. - С. 18 - 19.

20. Живогин, A.A. Восстановление деталей композитным остапиванием [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин // 50 Научно-техническая конференция ВГТУ. Секция «Автоматизированное оборудования машиностроительного производства»: тезисы регион, науч.-техн. конф. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. - С. 28 - 29.

21. Живогин, A.A. Инструмент, применяемый при восстановлении по методу ГКО [Текст] / С.Ю. Жачкин, П.В. Цысоренко, A.A. Живогин Коро-стылев A.B. // Инновационные технологии и оборудование машинострои-

тельного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. - Вып. 13. -С. 44- 47.

22. Живогин, A.A. К вопросу о нанесении гальванических покрытий методом ГКО [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин, H.A. Пеньков, O.A. Си-доркин // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. - Вып. 13. - С. 48 - 50.

23. Живогин A.A. Расчет и корректировка гальванических ванн [Текст] / С.Ю. Жачкин, O.A. Сидоркин, A.A. Живогин, П.В. Цысоренко // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. - Вып. 13. - С. 73 - 74.

24. Живогин, A.A. Расчет параметров давления инструмента при осаждении покрытий методом ГКО [Текст] / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин, H.A. Пеньков, O.A. Сидоркин // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. - Вып. 13. -С. 91-94.

25. Живогин, A.A. Анализ причин высокого перенапряжения при восстановлении ионов железа [Текст] / С.Ю. Жачкин, П.В. Цысоренко, O.A. Сидоркин, A.A. Живогин // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки производства: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет", 2011.-Вып. 6. - С. 50 - 55.

26. Живогин, A.A. Механизм окисления электролитов железнения [Текст] / С.Ю. Жачкин, П.В. Цысоренко, H.A. Пеньков, A.A. Живогин // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки производства: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет", 2011. - Вып. 6. -С. 58 - 62.

27. Живогин, A.A. Возникновение дефектов в металлах и их влияние на свойства железнения [Текст] / С.Ю. Жачкин, П.В. Цысоренко, H.A. Пеньков, A.A. Живогин // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки производства: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет", 2011.-Вып. 7.-С.62-67.

28. Живогин, A.A. Возникновение напряженного состояния в железе и его сплавах [Текст] / С.Ю. Жачкин, П.В. Цысоренко, H.A. Пеньков, A.A. Живогин // Обеспечение качества продукции на этапах конструкторской и технологической подготовки производства: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет", 2011,-Вып. 7.-С. 76-81.

29. Живогин, A.A. Аналитическое выражение осевых напряжений в композитном покрытии [Текст] / С.Ю. Жачкин, П.В. Цысоренко, A.A. Живогин // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства. Сб. науч. докладов XVI Ме-ждунар. научно-практич. конфер. ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, Тамбов, 2011.-С. 172-174.

30. Живогин, A.A. Моделирование напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя при нанесении композитных покрытий методом ГКО. / С.Ю. Жачкин, A.A. Живогин, H.A. Пеньков // ГОСНИТИ МТС. -2013,-№2-С. 29-35.

Отпечатано в издательско-полиграфическом центре

ФГБОУ ВПО МичГАУ Подписано в печать 1.04.14 г. Формат 60x84 '/к,, Бумага офсетная № 1. Усл.печ.л. 1,3 Тираж 120 экз. Ризограф Заказ № 17717

Издательско-полиграфический центр

Мичуринского государственного аграрного университета

393760, Тамбовская обл., г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101, тел.+7(47545)5-55-12

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет»

На правах рукописи

ЖИВОГИН АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ КОМПОЗИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук Жачкин Сергей Юрьевич

Воронеж 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Состояние вопроса. Анализ способов восстановления изношенных внутренних поверхностей гильз цилиндров. Цели и задачи исследования

1.1 Анализ проблемы восстановления изношенных деталей

1.2 Условия работы и анализ дефектов гильз цилиндров

1.3 Анализ способов восстановления гильз цилиндров

1.4. Пути совершенствования технологии железнения

1.5. Выводы. Постановка целей и задач исследования

Глава 2. Моделирование процесса нанесения композитных покрытий на основе железа на внутренние цилиндрические поверхности

2.1 Способ гальваноконтактного нанесения композитных покрытий на основе железа на внутренние цилиндрические поверхности гильз цилиндров дизельных двигателей и рабочая гипотеза

2.2 Моделирование усилия механического воздействия на растущий композит с целью прогнозирования физико-механических свойств покрытия

2.3. Влияние кинематических параметров механического воздействия и геометрии инструмента на процесс формирования восстанавливаемого слоя при гальваноконтактном осаждении композитных покрытий на основе железа

2.4 Выводы

Глава 3. Методика исследований и пути решения задач

3.1 Технологическое оснащение для реализации способа гальваноконтактного осаждения (ГКО)

3.2 Методика проведения экспериментальных исследований 3.3. Математическая обработка экспериментальных данных 3.4 Выводы

Глава 4. Экспериментальное исследование процесса нанесения композитных покрытий на основе железа и свойств получаемых

покрытий 72

4.1 Производительность процесса 72

4.2 Исследование микротвердости покрытий 76

4.3 Наводороживание основы при нанесении железных композитных покрытий способом гальваноконтактного осаждения ГКО 85

4.4 Остаточные напряжения в покрытии 90

4.5 Шероховатость поверхности восстановленного слоя 96

4.6 Адгезия покрытия к основе 101

4.7 Исследование износостойкости 102

4.8 Выбор рациональных режимов осаждения покрытия 108

4.9 Исследование маслоемкости восстановленной поверхности гильзы 109

4.10 Коррозионная устойчивость покрытия 112

4.11 Выводы 112 Глава 5. Технология гальваноконтактного восстановления внутренних цилиндрических поверхностей гильз цилиндров двигателей 115

5.1 Общие положения технологии нанесения композитных гальванических покрытий на основе железа 115

5.2 Оборудование для осуществления метода нанесения композитных покрытий на основе железа на внутренние цилиндрические поверхности 116

5.3 Технико-экономическое обоснование эффективности технологии 121

5.4 Выводы 138 Заключение 140 Литература 142 Приложения 157

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Эффективное использование машин и оборудования обеспечивается высоким уровнем их технического обслуживания и ремонта, наличием необходимого числа запасных частей. Если учесть, что затраты на запасные части достигают 50...70% от себестоимости ремонта машин, а стоимость восстановленных деталей составляет 30...60% от стоимости новых, то проблема восстановления и повторного использования отслуживших свой срок деталей является актуальной.

В связи с этим, в концепции модернизации инженерно-технической системы сельского хозяйства России на период до 2020 года большое внимание было уделено направлению повышения технического уровня сельскохозяйственной техники путем ее модернизации при техническом сервисе, восстановлению и упрочнению деталей с применением новых технологических процессов, доведению коэффициента технической готовности машинно-тракторного парка до 95...98%.

Наиболее ответственным агрегатом современных сельскохозяйственных машин является двигатель, на долю которого приходится 36...52 % от общего количества отказов. Ресурс двигателя зависит от износа деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), в первую очередь это относится к гильзам цилиндров. Недостаточная долговечность деталей ЦПГ, межремонтный ресурс которых не превышает 40% от ресурса двигателя, требует частой замены в процессе эксплуатации.

Основными способами восстановления работоспособности гильз цилиндров являются расточка или шлифование под ремонтный размер, контактная приварка стальной ленты, индукционная центробежная наплавка, термопластическое деформирование, электродуговая металлизация, постановка дополнительной ремонтной детали, хромирование и железнение. Основными недостатками всех способов является воздействие высоких температур, высокая стоимость материалов, недостаточное качество восстановленной поверхности, сложная и дорогостоящая механическая обработка до и после восстановления, недостаточный послеремонт-ный ресурс.

Перспективным направлением восстановления гильз цилиндров является разработка технологии нанесения композитных покрытий на основе железа, исключающее применение механической обработки до и после восстановления. Настоящая работа посвящена разработке технологии восстановления гильз цилинд-

ров дизельных двигателей сельскохозяйственной техники композитным покрытием на основе железа, обеспечивающим повышение долговечности и снижение себестоимости восстановленных деталей.

Степень разработанности темы. Анализ исследований показывает, что все существующие методы восстановления гильз дизельных двигателей используют механическую обработку восстанавливаемой поверхности. Однако, такой подход не только ведет к удорожанию производства, но и значительно сокращает процент восстановленных деталей. Восстановление деталей гальваническими композитными покрытиями позволяет избежать вышеназванных недостатков. Однако, крайне мало исследований и рекомендаций по нанесению данного типа покрытий на чугуны, которые применяются для изготовления гильз цилиндров дизельных двигателей. Работа выполнялась в соответствии с комплексной целевой программой ГБ работы кафедры «Автоматизированное оборудование машиностроительного производства» ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет «Теория и практика машиностроительного производства» 2009.39.

Цель работы - повышение долговечности и снижение себестоимости восстановления гильз цилиндров дизельных двигателей сельскохозяйственной техники способом гальваноконтактного осаждения композитного покрытия на основе железа.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач исследования

1. Построение модели формообразования толстослойных композитных покрытий на основе железа с остаточными напряжениями сжатия.

2. Разработка технологии нанесения композитных покрытий на основе железа.

3. Разработка регрессионных моделей, связывающих технологические параметры восстановления деталей с физико-механическими свойствами рабочих поверхностей изделий, анализ реализации которых обеспечивает рекомендации по применению предложенной технологии.

4. Разработка оборудования и конструкции электродов-инструментов, позволяющих получать методом ГКО высококачественные толстослойные покрытия на цилиндрических поверхностях.

Объект исследований - композитные гальванические покрытия на основе железной матрицы, нанесенные способом гальваноконтактного осаждения (ГКО) на внутреннюю изношенную поверхность гильзы цилиндра двигателя.

Предмет исследования - физико-механические характеристики композитных гальванических покрытий, полученных методом ГКО и закономерности их формообразования.

Методика исследования. Исследования проводились с использованием методов системного анализа, теории электрохимического формообразования и обеспечения требуемого качества поверхностного слоя. Экспериментальные исследования и обработка полученных данных проводились с использованием современных методик, а постановка и обработка результатов эксперимента с применением методов математической статистики. Результаты исследований обрабатывались с использованием методов дисперсионного и регрессионного анализа.

На защиту выносятся:

• теоретические предпосылки повышения физико-механических свойств гальванических покрытий при введении в них дисперсных наполнителей;

® результаты экспериментальных исследований по физико-механическим и эксплуатационным характеристикам покрытий, нанесенных методом ГКО;

• технология восстановления внутренних цилиндрических поверхностей гильз цилиндров двигателей гальваническим композитных покрытием на основе железа без применения предварительной и последующей механической обработки;

« Конструкция инструмента для получения качественных гальванических композитных покрытий на внутренних цилиндрических поверхностях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена модель формирования композитных покрытий со сжимающими остаточными напряжениями, отличительной особенностью которой является возможность расчета напряжений в каждом слое покрытия, что позволяет прогнозировать напряжения не только на поверхности (т.е. в конечном слое покрытия), но и в каждом его отдельном слое (т.е. по толщине).

2. Получены математические модели, связывающие условия обработки с физико-механическими, и, как следствие, эксплуатационными характеристиками получаемых покрытий при восстановлении деталей методом ГКО, отличающиеся

от известных учетом как гальванической, так и механической составляющей процесса нанесения покрытий.

3. Разработан способ получения композитных гальванических покрытий на внутренних цилиндрических поверхностях, отличающийся тем, что процесс ведется при переменном давлении инструмента на обрабатываемую поверхность в зависимости от ее износа.

Теоретическая значимость заключается в обосновании и разработке технологии нанесения композитных гальванических покрытий на чугунных гильзах цилиндров дизельных двигателей с целью увеличения их долговечности, работоспособности, что развивает аппарат теории электрохимических и электрофизических методов обработки

Практическая значимость работы. Разработан способ, позволяющий получать композитные покрытия на основе железной матрицы с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами на внутренних цилиндрических поверхностях гильз цилиндров дизельных двигателей. Разработаны электроды-инструменты (патент № 100520) для осуществления способа, позволяющие получать восстановлением по методу ГКО высококачественные композитные покрытия с заданными параметрами поверхностного слоя.

Достоверность полученных в диссертационной работе научных результатов обеспечивается обоснованным выбором основных допущений и ограничений, соответствующим конкретным условиям и особенностям функционирования гильз дизельных двигателей сельскохозяйственной техники; корректным использованием современного апробированного математического аппарата исследований, в частности теории электрохимикофизических методов обработки; удовлетворительным совпадением данных математического моделирования с данными, полученными в ходе натурных экспериментальных исследований на базе действующих образцов сельскохозяйственной техники; апробацией результатов, выводов и рекомендаций на всероссийских и международных конференциях, публикациях в центральных и ведомственных изданиях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, докторантов и аспирантов Воронежского государственного технического университета в 2007...2014 гг.; региональной научно-технической конференции «48 научно-техническая конференция ВГТУ», ВГТУ (г.

Воронеж), 2008 г.; региональной научно-технической конференции «49 научно-техническая конференция ВГТУ», ВГТУ (г. Воронеж), 2009 г.; международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК», МичГАУ (г. Мичуринск), 2010 г.; XVI Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства» ГНУ ВНИИ-ТиН Россельхозакадемии, (г. Тамбов), 2011 г. VII Международная научно-практическая конференция «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей», Москва 2011; VII Международная научно-практическая конференция «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин», Москва 2012.

Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано 35 печатных работ, в том числе четыре статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент на полезную модель № 100520 РФ. В статьях, выполненных в соавторстве, лично соискателем разработаны модели формообразования композитных покрытий на основе железа с остаточными напряжениями сжатия, определена последовательность технологических операций нанесения композитных покрытий, исследованы влияния режимов ГКО на физико-механические и эксплуатационные характеристики покрытий на чугунных деталях, разработаны конструкции электродов-инструментов, позволяющие получать методом ГКО высококачественные покрытия.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 18 таблиц, 9 приложений и библиографию из 137 наименований.

Глава 1. Состояние вопроса. Анализ способов восстановления изношенных внутренних поверхностей гильз цилиндров.

Цели и задачи исследования

1.1 Анализ проблемы восстановления изношенных деталей

Эффективное использование машин и оборудования обеспечивается высоким уровнем их технического обслуживания и ремонта, наличием необходимого числа запасных частей. Для восстановления работоспособности изношенных деталей требуется в 5-8 раз меньше технологических операций по сравнению с изготовлением новых деталей [79,118,131,132]. Расширение производства новых запасных частей связано с увеличением материальных и трудовых затрат. Затраты на запасные части достигают 50...70 % от себестоимости ремонта машин. В стоимости новых деталей 75...80 % составляют затраты на металл. Если учесть, что себестоимость восстановления деталей не превышает 30...60 % от цены новых, расход материалов в 15...20 раз ниже, чем на их изготовление, а расход энергии в десятки раз меньше, чем при изготовлении новых, то основные пути снижения себестоимости ремонта машин, а также расхода и дефицита запасных частей — восстановление и повторное использование изношенных деталей [10,79,11 1,116,118,130].

По данным ГОСНИТИ 85 % деталей, поступающих на участки восстановления теряют не более 1 % исходной массы и имеют износ менее 0,3 мм, и наиболее эффективным способом их восстановления является нанесение покрытий незначительной толщины [10,12,13,60,79,111,116,118,131,135]. При этом прочность деталей практически сохраняется, а большое количество элементов практически не изнашивается. Если учесть, что при переплавке металлолома теряется до 30% металла, то восстановление изношенных деталей является важнейшей задачей в целях экономии материально - сырьевых и энергетических ресурсов.

При недостаточном бюджетном финансировании и большой изношенности парка сельскохозяйственных машин, значение восстановления деталей значи-

тельно возрастает.

Зарубежная практика показывает, что научно обоснованные технология и организация восстановления деталей машин позволяют достичь нормативной наработки техники, а в отдельных случаях и превзойти наработку новых изделий. Доля восстанавливаемых деталей в общем объеме потребления запасных частей в развитых зарубежных странах составляет 30...35% [61,133], а в отдельных случаях, как например в Японии, восстановлением изношенных деталей удовлетворяют 40% потребности в запасных частях [133].

По сравнению с зарубежными, объемы восстановления изношенных деталей в Российской Федерации остаются на низком уровне и продолжают снижаться с каждым годом. Так, если в 1986 г доля восстановленных деталей в АПК составляла 19,6%, то в 1992 г - 9,2%, т.е уменьшилась в 2,5 раза, а в настоящее она составляет 2...8% [116]. Согласно концепции модернизации инженерно-технической системы сельского х�