ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ КОМПРЕССОРОВ ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЛЕКСНЫХ ПОКРЫТИЙ (НА ПРИМЕРЕ АВТОМОБИЛЕЙ

На правах рукописи

Родин Николай Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ КОМПРЕССОРОВ ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЛЕКСНЫХ ПОКРЫТИЙ

(НА ПРИМЕРЕ АВТОМОБИЛЕЙ КАМАЗ)

Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического
обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Саратов 2010

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

Научный руководитель:	Доктор технических наук, профессор Цыпцын Валерий Иванович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Денисов Александр Сергеевич
	кандидат технических наук, доцент Чекмарев Василий Васильевич
Ведущая организация:	ФГОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита диссертации состоится «24» сентября 2010 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ имени Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ».

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

Автореферат разослан «24» августа 2010 г. и размещен на сайте: http://sgau.ru «24» августа 2010 г.

Ученый секретарь совета

по защите докторских и

кандидатских диссертаций Н.П. Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Грузовые автомобили КамАЗ широко используются во многих отраслях производства, включая сельскохозяйственное. Время и средства, затрачиваемые на ремонт различных узлов и агрегатов, приводят в конечном итоге к увеличению себестоимости производимой продукции, доля транспортных издержек в которой достигает 10–12 %. В себестоимости автомобильных перевозок доля технического обслуживания и ремонта составляет 12–15 %. Наибольший процент отказов автомобилей КамАЗ приходится на двигатель, а на компрессор – 8–10 %, в основном по причине износа деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

Применение прогрессивных технологий при ремонте изношенных деталей в 4–6 раз сокращает количество операций по сравнению с их изготовлением, в 20–30 раз снижает расход материалов, а себестоимость восстановления многих деталей составляет 60–80 % от себестоимости новых. В настоящее время известны разнообразные способы упрочнения деталей машин и механизмов. Но, как показывает опыт, вопросы низкотемпературного упрочнения деталей не решены в полной мере, и в данной области необходимы дальнейшие исследования в направлении разработки новых технологий упрочнения деталей применением комплексных покрытий, которые отличались бы простотой, низкотемпературными режимами и высокой эффективностью.

Актуальность работы подтверждается также и тем, что она выполнялась в соответствии с планами развития Саратовской области по научному направлению 1.2.9 «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в агропромышленном комплексе Поволжского экономического региона на 20 лет до 2010 года» (№ гос. регистрации 840005200) и по комплексной теме № 5 НИР Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова «Повышение надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве».

Цель работы – повышение ресурса трибосопряжений компрессоров автомобилей КамАЗ применением комплексных покрытий.

Объект исследований – компрессор тормозной системы автомобилей КамАЗ.

Предмет исследований – тепловые и физико-химические процессы, протекающие в поверхностных слоях трущихся деталей компрессоров, и способ повышения их долговечности.

Методика исследований основана на применении современных методов, технических средств, измерительных приборов и включает в себя: изучение и анализ условий работы компрессоров, характера и величины износа трущихся деталей с использованием статистических методов и обработкой полученной информации на ЭВМ; анализ существующих и обоснование триботехнических методов, повышающих антифрикционные и износостойкие свойства поверхностей трения деталей компрессоров; исследование трибологических и физико-химических свойств упрочняющих покрытий; экспериментальные исследования образцов на машине трения ИИ 5018 и экспериментальных компрессоров на стенде и в эксплуатации; определение оптимальных режимов нанесения комплексных покрытий с разработкой технологического процесса нанесения; технико-экономическую оценку.

Обработку полученных данных производили с использованием современного программного обеспечения на ЭВМ.

Достоверность результатов исследований обусловлена применением современного оборудования, основывается на теории многомерного статистического оценивания физического эксперимента с использованием вычислительной техники и подтверждена производственными испытаниями.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретические предпосылки повышения долговечности трибосопряжений компрессоров автомобилей КамАЗ применением комплексных покрытий.
2. Математическая модель изнашивания и химико-математическая модель процесса нанесения комплексного покрытия на детали компрессора.
3. Результаты сравнительных экспериментальных исследований трущихся деталей компрессоров с комплексными покрытиями.
4. Рекомендации по применению предлагаемых разработок, обеспечивающих повышение ресурса компрессоров.

Научная новизна работы заключается в комплексном подходе к решению задачи повышения долговечности компрессоров автомобилей КамАЗ путем применения упрочняющих антифрикционных износостойких покрытий, к анализу теоретических положений и закономерностей, в результате которых:

– установлены характер и степень влияния различных факторов на ресурс компрессоров автомобилей КамАЗ;

– осуществлены теоретическое обобщение и выбор ресурсоопределяющих трибосопряжений компрессоров автомобилей КамАЗ;

– предложена математическая модель изнашивания, позволяющая прогнозировать ресурс компрессоров автомобилей КамАЗ;

– разработана химико-математическая модель процесса нанесения антифрикционного износостойкого покрытия;

– разработаны рекомендации и комплекс средств для реализации технологии нанесения упрочняющих покрытий, обеспечивающих повышение ресурса трущихся деталей компрессоров автомобилей КамАЗ.

Практическая ценность работы. Предложен и внедрен в производство комплекс мероприятий, который позволяет:

– интенсифицировать приработку трущихся деталей компрессоров, сократив ее продолжительность, а также снизить износ трущихся деталей ЦПГ и КШМ компрессоров в 1,5–1,8 раза;

– повысить ресурс компрессоров на 40–50%;

– получить от внедрения разработанной технологии упрочнения деталей ЦПГ и КШМ компрессоров автомобилей КамАЗ годовой экономический эффект в размере 136 815 руб. при программе 500 компрессоров.

Пути реализации работы. Результаты исследований могут быть использованы в условиях авторемонтных предприятий Министерства сельского хозяйства РФ при ремонте и восстановлении деталей компрессоров автомобилей КамАЗ, в конструкторских бюро предприятий сельскохозяйственного машиностроения, на машинно-технологических станциях, в акционерных обществах, а также в учебном процессе вузов аграрного образования при изучении курсов «Трибологические основы повышения ресурса машин» и «Технология ремонта машин».

Внедрение. Разработанные в диссертационной работе триботехнические методы повышения ресурса компрессоров автомобилей КамАЗ внедрены на ряде предприятий и хозяйств Саратова и Саратовской области:

– в ОАО «Ремонтный завод «Хоперский» (г. Балашов, Саратовской области);

– в ЗАО «Управление механизации № 24» (г. Саратов);

– в ООО «Рубеж-Гео» (г. Саратов);

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

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

По результатам исследований разработаны рекомендации по повышению ресурса и эффективности использования автотракторных дизелей и компрессоров, утвержденные Министерством сельского хозяйства Саратовской области.

Апробация. Основные положения диссертационной работы и ее результаты были доложены, обсуждены и получили положительную оценку на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова в 2005–2010 гг.; на научно-практических конференциях «Вавиловские чтения» Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова и СГТУ в 2006–2008 гг.; на Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию со дня рождения проф. А.Г. Рыбалко в 2006 г.; на Межгосударственном научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации ДВС» в 2008 г.; на расширенном заседании кафедры «Отечественная и зарубежная мобильная энерготехника в АПК» СГАУ им. Н.И. Вавилова в 2010 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8 научных работах, в том числе научно-практические рекомендации. Общий объем публикаций – 3,42 печ. л., из которых 1,16 печ. л. принадлежит лично соискателю. Одна работа опубликована в реферируемом издании, рекомендованном ВАК Минобразования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и приложения. Содержит 158 страниц машинописного текста, 11 таблиц, 46 рисунков, 7 приложений. Список использованной литературы включает в себя 115 наименований, из которых 6 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность и новизна темы, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования» приведен анализ работоспособности и ресурса автомобилей КамАЗ, а также основные причины потери работоспособности компрессоров тормозной системы, рассмотрены способы упрочнения деталей компрессоров.

Изучению вопросов изнашивания узлов и агрегатов автомобилей КамАЗ и другой мобильной техники, анализу их работоспособности и долговечности посвящены работы многих научных учреждений, таких как ИМАШ им. А.А. Благонравова РАН, НАТИ, НАМИ, конструкторское бюро завода КамАЗ.

Большой вклад в развитие научных основ повышения надежности и долговечности мобильной сельскохозяйственной техники внесли отечественные и иностранные ученые: Ф.П. Боуден, Н.А. Буше, Е.Л. Воловик, Д.Н. Гаркунов, И.Г. Голубев, М.Н. Ерохин, Б.П. Загородских, В.И. Казарцев, И.В. Крагельский, В.Н. Кряжков, И.С. Левитский, В.П. Лялякин, Г.Д. Межецкий, В.М. Михлин, С.С. Некрасов, П.А. Ребиндер, Ф.Я. Рудик, А.Э. Северный, В.В. Стрельцов, В.Я. Сковородин, Д. Тейбор, Н.Ф. Тельнов, М.М. Хрущов, В.И. Цыпцын, С.С. Черепанов, В.А. Шадричев, Г.П. Шаронов и др.

Проблема повышения долговечности автомобилей, в частности КамАЗ, подробно рассмотрена в работах Ф.Н. Авдонькина, В.Н. Баскова, А.С. Денисова и др.

Исследованиями многих ученых было установлено, что применение приработочных и упрочняющих покрытий на трущиеся детали трибосопряжений позволяет значительно сократить время приработки и повысить их износостойкость.

В связи с этим заслуживает внимания технология упрочнения поверхностей деталей компрессоров автомобилей КамАЗ комплексными химическими покрытиями, разработанная в ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова». Процесс низкотемпературного титаномедьсульфидирования происходит в ваннах. Технология нанесения покрытия не требует сложного оборудования и значительных затрат. При этом поверхности трения приобретают новые служебные свойства.

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

1. Провести анализ работоспособности и надежности компрессоров тормозной системы автомобилей КамАЗ.
2. Теоретически обосновать способ повышения долговечности ресурсоопределяющих трибосопряжений компрессоров автомобилей КамАЗ.
3. Разработать математическую модель изнашивания и химико-математическую модель процесса нанесения комплексного покрытия на трущиеся детали компрессоров автомобилей КамАЗ.
4. Провести экспериментальные исследования опытных образцов, раскрыть свойства комплексного покрытия, разработать технологический процесс и дать технико-экономическую оценку выполненных разработок.

Во втором разделе «Общая методика и структура экспериментальных исследований» излагаются программа и методики проведения экспериментальных исследований, а также описывается применявшееся оборудование.

В основу методики изучения объектов положен комплексный подход, а также сравнительные экспериментальные исследования. Программа экспериментальных исследований включала в себя лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания. Выполнение программы осуществлялось поэтапно.

На первом этапе изучали состояние, фактический уровень долговечности узлов трения компрессоров; анализировали причины отказов трибосопряжений компрессоров автомобилей КамАЗ; исследовали существующие технологические методы восстановления деталей компрессоров; показывали целесообразность использования комплексных покрытий при восстановлении изношенных деталей. В результате были определены задачи исследования, а также намечены пути их решения.

На втором этапе производили обобщение полученной информации и осуществляли теоретическую разработку методов решения поставленных задач. Для этого использовали как общие математические, физико-химические методы и приемы, так и специальные разделы теории планирования экспериментов, математического моделирования и др. При решении теоретических задач широко применяли моделирование на ЭВМ.

Третий этап включал в себя комплекс экспериментальных исследований, в который входили:

• лабораторные и стендовые триботехнические испытания, моделирующие условия работы трибосопряжений компрессоров;
• исследование физико-механических характеристик рабочих поверхностей образцов и трущихся деталей компрессоров автомобилей КамАЗ;
• исследование влияния комплексных покрытий на долговечность трибосопряжений компрессоров в условиях реальной эксплуатации.

Лабораторные триботехнические испытания образцов проводили на машине трения ИИ 5018 на базе триботехнической лаборатории кафедры «Технология машиностроения» ФГОУ ВПО «МГАУ им. В.П. Горячкина» в рамках соглашения с ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова».

Сравнительные испытания проводили по схеме «ролик – самоустанавливающаяся колодка». Образцы для испытаний изготавливали из конструкционных материалов пар трения компрессоров тормозной системы автомобилей КамАЗ. Испытаниям подвергались образцы с покрытием и без покрытия. Смазка осуществлялась контактом ролика с маслом, размещенным в специальной емкости. Частота вращения ролика в ходе испытаний оставалась постоянной n = 500 мин–1, нагрузка при определении момента от сил трения и температуры P = 1,0 кН. Продолжительность каждого опыта составляла 180 мин. При определении момента схватывания нагрузка увеличивалась ступенчато на 200 Н через равное время – 3 мин. Первой ступенью была нагрузка P = 200 Н. Увеличение нагрузки в контакте образцов осуществлялось винтовым нагружающим устройством, установленным на машине трения. Качество приработки образцов с покрытием и без покрытия при лабораторных испытаниях оценивали по изменению момента трения, температуры в зоне трения, времени их стабилизации, величине массопотерь колодок, а также визуальным осмотром рабочих частей роликов и колодок.

Момент трения регистрировался потенциометром КСП-4, температура – лабораторным ртутным термометром с ценой деления 0,5 °С и пирометром С 210. Износ образцов (колодок) определяли взвешиванием на электронных весах Satorius 1201 МР2 с точностью 10–4 г.

Состав поверхностного слоя образцов исследовали рентгенофазовым методом на дифрактометре ДРОН–3.0. Дифрактограммы идентифицировали по картотеке эталонных дифракционных спектров (ASTM). Металлографические исследования выполняли на микротвердомере ПМТ-3М (ГОСТ 9450-76) при нагрузке 50 и 200 г с использованием микроскопа МИМ-8М. Шероховатость измеряли на профилографе-профилометре мод. 201 завода «Калибр».

По результатам лабораторных испытаний комплексные покрытия подвергались стендовым и эксплуатационным испытаниям.

Стендовые испытания проводились в условиях ОАО «Ремонтный завод «Хоперский» на капитально отремонтированных двигателях КамАЗ-740. В основу методики испытаний положена сравнительная оценка износа поверхностей трения. Перед испытаниями производили микрометраж деталей в соответствии с ГОСТ 18509-88 и взвешивание поршневых колец на электронных весах ВЛЭ-200М. Эксплуатационные испытания экспериментальных компрессоров проводили по плану наблюдения NUN в соответствии с ГОСТ 17510–79 на ряде предприятий Саратова и Саратовской области.

Обработку результатов экспериментов производили методами математической статистики и ЭВМ.

В третьем разделе «Теоретические предпосылки улучшения приработки и повышения износостойкости трибосопряжений компрессоров автомобилей КамАЗ применением комплексных покрытий» разработана математическая модель изнашивания трибосопряжений компрессоров, а также представлена химико-математическая модель процесса нанесения покрытия.

Износостойкость трибосопряжений в конечном итоге определяется физико-механическими и химическими свойствами поверхностей трения и поверхностного слоя.

Ресурс трибосопряжений (И.В. Крагельский и др.) определяется отношением предельного износа к скорости изнашивания. Если принять, что величина предельного износа пропорциональна глубине упрочненного слоя , то ресурс сопряжения T можно выразить следующим образом:

(1)

где С – коэффициент пропорциональности; – пластичность; HB1(2), HB2(1) – твердость деталей трибосопряжений.