Повышение долговечности почвообрабатывающей сельскохозяйственной техники путем восстановления и упрочнения рабочих органов наплавкой и борированием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Буйлов Валерий Николаевич

• Буйлов Валерий Николаевич
• доктор наук
• 2024

Оглавление диссертации доктор наук Буйлов Валерий Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

1.1 Анализ состояния вопроса

Конструктивная характеристика лапы культиватора

1.2 Анализ условий работы и изнашивания лап культиваторов

1.3 Анализ способов восстановления и упрочнения

1.3.1 Способы восстановления рабочих органов

почвообрабатывающей техники

Дуговые и газотермические способы сварки и наплавки

Плазменная, микроплазменная, лазерная и электроннолучевая

сварка и наплавка

Электроконтактная и индукционная наплавки

Наплавка с использованием высокотемпературного синтеза

Наплавка намораживанием

Газопламенная наплавка

Карбовибродуговой способ наплавки

Напыление

Электролитические покрытия

Пластическая деформация

Применение деталей, компенсирующих износ

Химико-термическое упрочнение

Электролизное борирование в расплавах солей

1.4 Анализ применяемого оборудования

1.5 Анализ применяемых материалов

1.6 Постановка проблемы

1.7 Выводы по главе

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ ТЕХНИКИ

2.1 Теоретическая оценка вариативного прогнозирования ресурса

рабочих органов почвообрабатывающей техники

2.2 Исследование диффузионных процессов насыщения

поверхности восстанавливаемых деталей в расплаве электролита

Химико-физическое исследование кинетики процесса

электролизного борирования

2.3 Исследование процесса электролизного борирования

при упрочнении восстанавливаемых деталей

2.4 Исследование процесса нагрева восстанавливаемых деталей

при наплавке металлопорошка в жидком теплоносителе

Расчет толщины наплавленного слоя

2.5 Исследование тепломассообменных процессов

в электродной печи-ванне

2.6 Выводы по главе

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Методика исследования свойств теплоносителя

3.2 Методика исследования процесса наплавки

3.3 Методика исследования характера диффузии элементов

3.4 Методика исследования структуры и механических

свойств упрочняемых деталей

Методика исследования структуры наплавленных деталей

Методика исследования структуры борированных деталей

Методика исследования прочности сцепления наплавленного

покрытия

Методика определения пористости покрытия

3.5 Методика исследования механизма процесса электролизного борирования

3.6 Методика проведения рентгенофазового анализа

упрочненного слоя

3.7 Методика масс-спектрального анализа упрочненного слоя

3.8 Методика исследования хрупкости

3.9 Методика лабораторных испытаний

3.10 Методика исследования коррозионной стойкости

3.11 Методика полевых ресурсных испытаний

3.12 Обработка экспериментальных данных и оценка их точности

4 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Результаты исследования процесса наплавки

Кинетика температуры расплава теплоносителя в печи-ванне

Температура плавления металлопорошка

Нагрев детали для наплавки

Определение деформации наплавляемой детали

4.2 Влияние режимов наплавки на структуру покрытия и подложки

4.3 Исследование взаимодиффузии компонентов подложки и покрытия

4.4 Прочность сцепления покрытия

4.5 Обоснование механизм процесса электролизного борирования

4.6 Результат исследования микроструктуры борированного слоя

4.7 Результаты исследования микротвердости борированного слоя

4.8 Результаты рентгенофазового анализа упрочненного слоя

4.9 Результаты масс-спектрального анализа

4.10 Хрупкость диффузионных слоев

4.11 Результаты лабораторных испытаний на изнашивание

4.12 Коррозионная стойкость диффузионных слоев

4.13 Выводы по главе

5 ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ ТЕХНИКИ И ОЦЕНКА

ИХ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

5.1 Обоснование технологических особенностей

используемого теплоносителя и его компонентов

Анализ технологических особенностей теплоносителя

5.1.1 Исследование технологических свойств жидкого

теплоносителя при его взаимодействии с деталью

5.1.2 Исследование процесса потери массы теплоносителя

5.1.3 Исследование стабильности состава предлагаемого

теплоносителя

5.2 Технологические особенности процесса наплавки

на деталь металлопорошка в жидком теплоносителе

5.2.1 Определение смачивающей способности расплавленного порошка

5.2.2 Исследование изменения химического состава наплавляемого

материала

5.2.3 Исследование толщины слоя, наплавленного металлопорошком

5.3 Математическая модель и алгоритм проектирования конструкции установки для электролизного борирования

и наплавки в жидком теплоносителе

5.4 Особенности технологии восстановления стрельчатых

лап культиваторов

5.5 Результаты эксплуатационных испытаний восстановленных

стрельчатых лап культиваторов

5.6 Технико-экономическая эффективность технологии

восстановления стрельчатых лап культиваторов

5.7 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ РАЗРАБОТКИ ТЕМЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж

ПРИЛОЖЕНИЕ З

ПРИЛОЖЕНИЕ И

ПРИЛОЖЕНИЕ К

ПРИЛОЖЕНИЕ Л

ПРИЛОЖЕНИЕ М

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение долговечности почвообрабатывающей сельскохозяйственной техники путем восстановления и упрочнения рабочих органов наплавкой и борированием»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Развитие сельского хозяйства Российской Федерации на современном этапе определяют следующие основные документы: «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013— 2025 годы» (утверждена постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июня 2012 года № 717 в редакции постановления Правительства Российской Федерации от 18 марта 2021 года № 415), «Доктрина продовольственной безопасности Российской Федерации» (утверждена Указом Президента Российской Федерации от 21 января 2020 г. № 20) и «Стратегия развития сельскохозяйственного машиностроения России на период до 2030 года» (утверждена постановлением Правительства Российской Федерации от 7 июля 2017 года № 1455-р). В этих документах поставлены задачи развития научного и инновационного потенциала, технической и технологической модернизации производственной базы агропромышленного комплекса с целью снижения зависимости от импорта технологий, машин и оборудования.

Обеспечение продовольственной безопасности страны и наращивание экспортного потенциала сельскохозяйственной отрасли возможны при условии насыщения агропромышленного комплекса Российской Федерации не только необходимой, но и надежной техникой. Однако чем больше и разнообразнее парк машин и техники, тем дороже для сельхозтоваропроизводителя будут их техническая эксплуатация и обеспечение запасными частями.

Возрастающая интенсивность эксплуатации парка техники в аграрных хозяйствах повышает скорость изнашивания ее ресурсоопределяющих деталей, что обусловливает снижение количественных показателей долговечности техники.

Мобильные машины в сельскохозяйственной отрасли применяют с различной прицепной и навесной техникой (плугами, культиваторами, сеялками и др.). Почвообрабатывающие работы при возделывании, например, зерновых культур составляют более 40 % работ от общего объема. Долговечность эксплуатации

прицепной и навесной техники определяется ресурсом их рабочих органов, который находится в пределах 150-1800 мото-ч. Наименьшая долговечность (150-350 мото-ч) наблюдается у рабочих органов культиваторов, стерневых сеялок и плугов. Следовательно, сельскохозяйственная техника больше времени будет простаивать в период полевых работ из-за замены изношенных рабочих органов. При этом потребность сельскохозяйственной отрасли в таких изделиях измеряется несколькими миллионами единиц. В связи с этим повышение долговечности этой техники путем увеличения ресурса восстановленных рабочих органов позволит снизить потери рабочего времени.

Величина износа рабочих органов сельскохозяйственной техники достигает нескольких миллиметров. Однако вышедшие из строя детали обладают необходимым запасом прочности и достаточными размерами, позволяющими восстанавливать их работоспособное состояние.

Основным сдерживающим фактором увеличения доли деталей, восстановленных по существующим технологиям, является их недостаточная долговечность, повышение которой может быть достигнуто путем разработки и применения новых эффективных технологий, позволяющих довести их послеремонтный ресурс до ресурса новых и даже превзойти его. Поэтому разработка инновационных технологий восстановления ресурсоопределяющих деталей актуальна.

Перспективными способами восстановления и упрочнения рабочих органов почвообрабатывающей техники являются наплавка в жидких теплоносителях и электролизное борирование.

На этом основании в диссертационной работе была поставлена научная проблема, решение которой заключалось в теоретическом прогнозировании долговечности восстановленных и упрочненных рабочих органов, а также в разработке и внедрении в производство новых технологий восстановления и упрочнения рабочих органов почвообрабатывающей техники наплавкой и борированием.

Актуальность проведения научно-исследовательских работ в направлении совершенствования и разработки технологий восстановления деталей обусловлена снижением затрат на запасные части в общих расходах на ремонт машин. При

этом существует научно-техническая возможность довести их послеремонтный ресурс до ресурса новых и даже превзойти его. Это позволит повысить обеспеченность техникой сельскохозяйственное производство.

Актуальность работы подтверждена тем, что она была выполнена в соответствии с основными положениями:

• Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2021 годы» (утв. постановлением Правительства Российской Федерации от 21 мая 2013 г. № 426);

•«Федеральной научно-технической программы развития сельского хозяйства на 2017-2025 годы» (утв. постановлением Правительства Российской Федерации от 25 августа 2017 г. № 996);

• Государственной программы Российской Федерации «Научно-технологическое развитие Российской Федерации» (утв. постановлением Правительства Российской Федерации от 29 марта 2019 г. № 377);

• Государственной программы Саратовской области «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия в Саратовской области» № 750-П в редакции от 06.07.2020;

• Приоритетного научного направления ФГБОУ ВО «Саратовский ГАУ им. Н. И. Вавилова» «Модернизация инженерно-технического обеспечения АПК» (рег. № 01201151795).

Степень разработанности темы. Основной причиной выхода из строя машин и техники является износ их основных деталей, что подтверждается выявленными закономерностями процессов трения и изнашивания деталей машин, которым посвящены научные работы следующих ученых: Ю. Н. Артемьева, М. А. Бабичева, В. А. Белого, Н. А. Буше, И. Н. Величкина, Ю. В. Волкова, М. А. Григорьева, В. И. Казарцева, В. Н. Кащеева, И. Р. Клейса, С. П. Козырева, Б. И. Ко-стецкого, И. В. Крагельского, Р. В. Кугеля, Л. С. Лившица, И. А. Мишина, Г. А. Никитина, И. В. Петрова, А. С. Проникова, А. Ш. Рабиновича, М. М. Севернева, А. И. Селиванова, М. М. Тененбаума, В. Н. Ткачева, К. В. Фролова, М. М. Хруще-

ва и др. Анализ работ этих исследователей показывает, что основным видом изнашивания деталей сельскохозяйственной техники является абразивный.

Процессы восстановления работоспособности и повышения долговечности деталей, как правило, включают в себя операции нанесения слоя материала на изношенные поверхности с целью получения их номинальных или ремонтных размеров. Эти вопросы освещены в научных трудах таких известных ученых, как Б. М. Аскинази, Г. Г. Баловнев, В. В. Березников, С. А. Богатырев, Ф. Х. Бурумку-лов, Д. Г. Вадивасов, С. А. Величко, Е. Л. Воловик, И. С. Вороницын, Д. С. Гапич, В. А. Деев, Л. В. Дехтеринский, В. В. Ефремов, Б. П. Загородских, А. И. Иванов, В. И. Казарцев, В. А. Какуевицкий, Ю. А. Конкин, К. Т. Кошкин, В. С. Крамаров, Ю. Е. Кисель, В. М. Кряжков, И. С. Левитский, Л. Г. Лившиц, И. И. Луневский, В. П. Лялякин, М. А. Масино, Г. Д. Межецкий, И. А. Мишин, С. С. Некрасов, В. А. Наливкин, Ю. Д. Пашин, Ю. Н. Петров, А. В. Поляченко, Ф. Я. Рудик, А. И. Селиванов, П. В. Сенин, Н. Ф. Тельнов, И. Е. Ульман, В. И. Цыпцын, С. С. Черепанов, М. И. Черновол, В. И. Черноиванов, В. А. Шадричев, Г. П. Шаронов и др.

В своем большинстве разработки были направлены на использование технологий восстановления деталей со сравнительно небольшой величиной износа и сохраненной геометрической формой. При этом обеспечивался 80%-й ресурс. Восстановление с применением таких технологических процессов рабочих поверхностей почвообрабатывающих органов, эксплуатируемых в жестких условиях абразивного изнашивания, при котором величина износа режущих зон детали превышает десятки миллиметров, что приводит к изменению ее формы, не представляется возможным. Потребителя не может удовлетворить низкая износостойкость и, соответственно, небольшой ресурс восстановленной детали. Данные обстоятельства являются основной мотивацией разработки научно-производственных направлений восстановления и упрочнения рабочих органов почвообрабатывающей техники с прогнозируемым и управляемым ресурсом.

Цель работы - повышение ресурса почвообрабатывающей сельскохозяйственной техники путем разработки и применения эффективных инновационных

технологий и технических средств восстановления и упрочнения рабочих органов наплавкой в жидком теплоносителе и электролизным борированием.

Задачи исследования:

1. Провести анализ литературных источников для установления факторов, влияющих на ресурс рабочих органов почвообрабатывающей техники, технологий их восстановления и упрочнения, конструкций термического оборудования для наплавки и упрочнения, применяемых технологических материалов.

2. Предложить теоретический метод вариативного прогнозирования ресурса рабочих органов почвообрабатывающей техники. Теоретически обосновать, исследовать и разработать оптимальный состав теплоносителя для наплавки и электролизного борирования рабочих органов почвообрабатывающей техники, обеспечивающий повышенные показатели износостойкости и ресурса восстановленных деталей.

3. Разработать и исследовать теоретические модели оптимальных способов восстановления и упрочнения рабочих органов почвообрабатывающей техники наплавкой в жидком теплоносителе и электролизным борированием.

4. Обосновать конструктивные особенности печи-ванны для реализации предложенных технологий, разработать и экспериментально исследовать опытно-конструкторскую установку и определить ее технические характеристики.

5. Исследовать физико-механические свойства, химический и фазовый составы упрочненных поверхностей.

6. Провести лабораторные испытания на износ упрочненных образцов и сравнительные ресурсные испытания восстановленных рабочих органов почвообрабатывающей техники в реальных условиях эксплуатации.

7. Разработать технологии восстановления и упрочнения рабочих органов почвообрабатывающей техники наплавкой в жидких теплоносителях и электролизным борированием и определить технико-экономическую эффективность результатов работы.

Объект исследования - процессы восстановления и упрочнения изношенных рабочих органов почвообрабатывающей техники.

Предмет исследования - закономерности изменения фазового состава материала, механических и эксплуатационных свойств восстанавливаемых и упрочняемых поверхностей рабочих органов почвообрабатывающей техники в зависимости от восстановительных материалов, способов и технологических режимов их нанесения.

Научную новизну работы представляют:

• теоретическая модель определения величин прогнозируемого ресурса при использовании различных технологий упрочнения и восстановления изнашиваемых поверхностей рабочих органов почвообрабатывающей техники;

• химико-физическое обоснование состава электролита для электролизного борирования поверхностей рабочих органов почвообрабатывающей техники;

• теоретическая модель диффузионно-кинетических процессов в расплаве электролита для определения технологических режимов электролизного борирова-ния упрочняемых поверхностей рабочих органов почвообрабатывающей техники;

• теоретические модели тепломассообменных процессов в рабочем пространстве электродной печи-ванны для установления кинетики конвекции расплава теплоносителя при ее конструировании, определении технологических режимов электролизного борирования и наплавки восстанавливаемых и упрочняемых поверхностей рабочих органов почвообрабатывающей техники;

• теоретическая модель диффузионных процессов электролизного борирова-ния поверхностей рабочих органов почвообрабатывающей техники;

• новые способы и особенности технологических процессов восстановления и упрочнения, а также оборудование и материалы для осуществления этих технологий обработки (авторское свидетельство № 1688981, патенты № 2107601, № 2114184, № 2139356, № 2164963, № 2325256, № 2241586, № 2392102, № 2572116);

• результаты исследования структуры, физико-механических и эксплуатационных свойств наплавленных и борированных покрытий при восстановлении и упрочнении рабочих органов почвообрабатывающей техники.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается:

1) в физико-химическом обосновании и разработке состава электролита для электролизного борирования стальных поверхностей;

2) в разработке математических моделей определения:

• величин прогнозируемого ресурса восстановленных деталей при вариативном использовании различных технологий упрочнения и восстановления их рабочих поверхностей;

• диффузионно-кинетических процессов в расплаве электролита и насыщаемых поверхностях восстанавливаемых почвообрабатывающих органов;

• тепломассообменных процессов в электродной печи-ванне при ее конструировании;

3) в разработке новой высокоэффективной конструктивной схемы электродной печи-ванны для использования на предприятиях технического сервиса при восстановлении и упрочнении рабочих органов почвообрабатывающей техники;

4) в обосновании технических мер по обеспечению одновременного достижения рабочими органами почвообрабатывающей техники предельного состояния за счет соблюдения порядка установки их на почвообрабатывающем агрегате.

Методология и методы исследования. Методология исследований основана на соблюдении принципов объективности, системности и целостности. При проведении исследований соблюдали условие адекватности подходов и средств, позволяющих получать знания об объекте, близкие к их точным значениям. Методами проведения исследований являлись эмпирические, экспериментально-теоретические, математического моделирования, планирования экспериментов с вероятностно-статистическими оценками результатов с их анализом, синтезом и обобщением. При проведении экспериментальных исследований применяли современное оборудование и высокоточные приборы.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

1. Закономерности протекания процессов наплавки в жидком теплоносителе и электролизного борирования деталей, позволяющие осуществить математическое моделирование:

• прогнозирования величин ресурсных показателей восстановленных рабочих органов почвообрабатывающей техники;

• диффузионно-кинетических процессов в расплаве электролита при проведении электролизного борирования;

• тепломассообменных процессов в печи-ванне при ее конструировании и установлении технологических режимов;

• диффузионных процессов в системе «обрабатываемая поверхность -стальная сердцевина детали»;

• процесса нагрева детали при наплавке в электродной печи-ванне.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния состава материала ремонтной детали и основных параметров технологических режимов на механизм формирования структуры, механических и эксплуатационных свойств упрочненного слоя и технологических особенностей восстановления рабочих органов почвообрабатывающей техники.

3. Оценка экономической эффективности предлагаемых технических решений.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность результатов исследований обеспечена применением сертифицированных приборов и стандартных методик исследований, достижением необходимой сходимости теоретических и экспериментальных данных, их подтверждением при практической реализации разработок в лабораторных и производственных условиях. Математическое моделирование тепломассообменных процессов при описании объекта исследований базировалось на использовании основополагающих теорий термодинамических систем, которые согласуются с опубликованными данными других исследователей.

Рабочие органы почвообрабатывающей техники, восстановленные по разработанным технологиям на предприятиях технического сервиса, прошли эксплуатационную проверку в аграрных хозяйствах Саратовской, Волгоградской и Пензенской областей.

Основные научные положения, результаты исследований, выводы и практические рекомендации диссертации доложены и одобрены:

• на научно-практических конференциях Саратовского ГАУ (г. Саратов, 1996-2021 гг.);

• на Международном постоянно действующем научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники» (Саратовский ГАУ, г. Саратов, 1996-2021 гг.);

• на Международной научно-практической конференции «Совершенствование технологии и организации обеспечения работоспособности машин с использованием восстановительно-упрочняющих процессов» (Саратовский ГТУ, г. Саратов, 2003 г.);

• на Международной научно-практической конференции «Народное хозяйство Западного Казахстана: состояние и перспективы развития» (Западно-Казахстанский АТУ, г. Уральск, 2004 г.);

• на Международных научно-практических конференциях Саратовского ГАУ, посвященных: 100-летию со дня рождения А. Ф. Ульянова (г. Саратов, 2005 г.); 75-летию со дня рождения В. Г. Кобы (г. Саратов, 2006 г.); 70-летию со дня рождения А. Г. Рыбалко (г. Саратов, 2006 г.); 100-летию со дня рождения профессора Д. Г. Вадивасова (г. Саратов, 2009 г.); 70-летию профессора В. Ф. Дубинина (г. Саратов, 2010 г.); 75-летию со дня рождения профессора А. Г. Рыбалко (г. Саратов, 2011 г.); 100-летию со дня рождения Г. П. Шаронова (г. Саратов, 2012 г.);

• на 2-й Всероссийской научно-практической конференции «Защитные покрытия в машиностроении и приборостроении» (Пензенский ГУ, г. Пенза, 2005 г.);

• на научно-практической конференции, посвященной 119-й годовщине со дня рождения академика Николая Ивановича Вавилова (Саратовский ГАУ, г. Саратов, 2006 г.);

• на научно-практической конференции «Научное обеспечение АПК» 2-й специализированной агропромышленной выставки «САРАТОВ-АГРО 2011» (Саратовский ГАУ, г. Саратов, 2011 г.);

• на Х1-й Международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию факультета механизации сельского хозяйства, в рамках XVII Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал - 2015» (г. Ставрополь, 2015 г.);

• на Международной научно-практической конференции «Наука и инновации в XXI веке: актуальные вопросы, достижения и тенденции развития», посвященной 70-летию факультета механизации сельского хозяйства (Таджикский АУ, г. Душанбе, 2017 г.);

• на Национальной научно-практической конференции «Актуальные проблемы разработки, эксплуатации и технического сервиса машин в агропромышленном комплексе», посвященной 40-летию Белгородского ГАУ (Белгородский ГАУ, г. Белгород, 2019 г.).

• на заседании секции по механизации сельского хозяйства научно-технического Совета министерства сельского хозяйства Саратовской области (22 апреля 2022 года);

• на совещании Министерства сельского хозяйства и продовольствия Самарской области (17 мая 2022 года).

По результатам исследований опубликовано 87 работ, в т. ч., 17 статей в рецензируемых научных изданиях по перечню ВАК, 5 статей в изданиях, включенных в международные базы Web of Science и Scopus, 8 патентов РФ на изобретения, 1 а.с., 1 монография. Общий объем публикаций - 46,7 печ. л., из которых 26,4 печ. л. принадлежит соискателю.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, рекомендаций производству, перспектив дальнейшей разработки темы, списка литературы из 312 наименований, из которых 28 на иностранном языке, и 12 приложений. Работа изложена на 256 страницах, содержит 86 рисунков и 12 таблиц.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

1.1 Анализ состояния вопроса

Надежность сельскохозяйственных машин и техники определяет эффективность их использования. Она закладывается на этапах проектирования и производства. Если при этом обеспечиваются высокие параметры, то сельскохозяйственная техника способна длительно выполнять агротехнологические операции по установленным режимам в соответствующих природно-климатических условиях при соблюдении требований эксплуатационно-ремонтной документации [2, 8, 43-49].

Известно, что надежность сельскохозяйственных машин и техники является комплексным свойством, включающим в себя долговечность, безотказность, ремонтопригодность и сохраняемость. Все приведенные свойства, за исключением сохраняемости, проявляются в процессе эксплуатации.

Основным свойством, полностью применимым к сельскохозяйственной технике, является долговечность. Согласно определению, долговечность характеризует работу техники в течение всего срока эксплуатации с учетом того, что продолжительная работа неосуществима без выполнения необходимых технических обслуживаний и ремонтов. Это свойство оценивается суммарной наработкой техники до предельного состояния. Производительное расходование как доремонт-ного, так и межремонтного ресурса техники является важной задачей сельскохозяйственного производства при использовании по назначению [12, 41, 45, 51, 57, 58]. Величина ресурсов сельскохозяйственной техники зависит от ресурсов тех сопряжений и деталей, отказ которых влечет за собой необходимость восстановления их работоспособности, а также ремонта техники. Затраты на ремонтно-восстановительные мероприятия должны быть оптимальны в смысле себестоимости принятой единицы наработки техники в течение всего межремонтного ресурса [12, 13, 16, 19]. Простои сельскохозяйственной техники из-за отказов в период выполнения агротехнологических операций могут повлечь за собой нарушение оптимальных сроков проведения полевых работ, что ведет к возможному снижению урожайности зерновых культур до 30 % [4, 19-21].

Также следует отметить, что в связи с постоянно возрастающими экологическими требованиями при использовании природных ресурсов большое значение приобретает развитие технологий многократного использования деталей машин и существенного увеличения износостойкости их рабочих поверхностей и, соответственно, их ресурса [37-49].

Состояние сервисного обслуживания в стране в настоящее время таково, что техническая готовность парка машин и техники не превышает 70-80 % [4, 7-10]. Из-за недостаточной обеспеченности техникой аграрных хозяйств сезонная нагрузка на имеющийся ее парк может увеличиваться до 4-5 раз с соответствующим ухудшением технологии обработки почвы [8, 11, 15, 16].

Повышение интенсивности эксплуатации как новой, так и отремонтированной сельскохозяйственной техники в современных условиях неизбежно ведет к необходимости разработки высокоэффективных технологических способов изготовления и восстановления ресурсоопределяющих деталей, увеличивающих их долговечность [17-21] и, соответственно, повышающих качество выполняемых работ.

В связи с этим повышение надежности сельскохозяйственных машин и техники при ремонте путем увеличения их межремонтного ресурса будет способствовать снижению количества ремонтов и повышению эффективности сельскохозяйственного производства.

При оптимизации затрат на ремонт сельскохозяйственной техники необходимо учитывать расходы на запасные части. В себестоимости ремонта затраты на запасные части составляют около 50-70 % [7-21]. При этом на долю восстановленных деталей в этих расходах приходится не более 30-50 %.

Основным сдерживающим фактором увеличения номенклатуры восстанавливаемых деталей при ремонте сельскохозяйственных машин и техники является их низкая долговечность. Повышение долговечности и оптимизация расходов могут быть достигнуты путем разработки и применения эффективных современных научно обоснованных способов восстановления работоспособности ресурсоопре-деляющих деталей, позволяющих довести их послеремонтный ресурс до ресурса новых и даже превзойти его [2, 10-21, 37-49, 51, 53, 58]. Это позволит повысить

обеспеченность техникой сельскохозяйственное производство и, несомненно, снизить расходы на производимые работы [3, 5-7, 11].

Основной причиной выхода из строя машин и техники является результат процесса изнашивания - износ их основных деталей, что подтверждается, например, следующим высказыванием: «... главной причиной выхода из строя машин является не их поломка, а износ подвижных сопряжений и рабочих органов под влиянием трения» [29].

Выявлению закономерностей процессов трения и изнашивания деталей машин посвящены научные работы Ю. Н. Артемьева, М. А. Бабичева, В. А. Белого, Н. А. Буше, И. Н. Величкина, Ю. В. Волкова, М. А. Григорьева, В. И. Казарцева,

B. Н. Кащеева, И. Р. Клейса, С. П. Козырева, Б. И. Костецкого, И. В. Крагельско-го, Р. В. Кугеля, Л. С. Лившица, И. А. Мишина, Г. А. Никитина, И. В. Петрова, А.

C. Проникова, А. Ш. Рабиновича, М. М. Севернева, А. И. Селиванова, М. М. Тененбаума, В. Н. Ткачева, К. В. Фролова, М. М. Хрущева и других ученых.

Анализ работ этих исследователей показывает, что ведущим видом изнашивания деталей сельскохозяйственной техники является абразивный.

Процессы восстановления работоспособности изношенных деталей, как правило, включают в себя операции нанесения слоя материала на восстанавливаемые поверхности, например, валов (коленчатых, ступенчатых, шлицевых и др.), осей и посадочных мест корпусов, когда величина износа измеряется десятыми долями миллиметра, с целью получения номинальных или ремонтных их размеров после механической обработки. Эти процессы исследовали такие известные ученые, как Б. М. Аскинази, Г. Г. Баловнев, В. В. Березников, С. А. Богатырев, Ф. Х. Бурумку-лов, Д. Г. Вадивасов, С. А. Величко, Е. Л. Воловик, И. С. Вороницын, Д. С. Гапич, В. А. Деев, Л. В. Дехтеринский, В. В. Ефремов, Б. П. Загородских, А. И. Иванов, В. И. Казарцев, В. А. Какуевицкий, Ю. А. Конкин, К. Т. Кошкин, В. С. Крамаров, Ю. Е. Кисель, В. М. Кряжков, И. С. Левитский, Л. Г. Лившиц, И. И. Луневский, В. П. Лялякин, М. А. Масино, Г. Д. Межецкий, И. А. Мишин, С. С. Некрасов, В. А. Наливкин, Ю. Д. Пашин, Ю. Н. Петров, А. В. Поляченко, Ф. Я. Рудик, А. И. Селиванов, П. В. Сенин, Н. Ф. Тельнов, И. Е. Ульман, В. И. Цыпцын, С. С. Черепанов,

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Буйлов Валерий Николаевич, 2024 год

/ \

Л V \

/ \ \

0, 69 0, 98 1, 27 1, 56 1, 85 2, 14 2, 43 2, 72 3, I 01 ЛШ

Накопленные опытные вероятности износа и интегральная функция Ь(!п ); ) закона распределения износа

0,2

1 1

Ц! Ь в) Ю

-1 У

0,69 0,98 1,27 1,56 1,85 2,14 2,43 2,72 3,01

/, ММ

0,35

0,3

0,05

п

0,8

0,6

0,4

Таблица 3.19 - Сводная ведомость величин износа радиуса режущей кромки лап культиватора восстановленных по существующей технологии

№ п/п Износ, мм № п/п Износ, мм № п/п Износ, мм № п/п Износ, мм

1 0,32 9 1,9 17 2,48 25 3,33

2 0,47 10 1,95 18 2,58 26 3,51

3 0,61 11 2,19 19 2,61 27 3,66

4 0,69 12 2,19 20 2,69 28 3,89

5 0,95 13 2,22 21 2,95 29 4,16

6 1,03 14 2,27 22 3,04 30 4,3

7 1,66 15 2,42 23 3,24 31 4,4

8 1,84 16 2,44 24 3,26 32 4,67

Таблица 3.20 - Результаты выравнивания опытных данных теоретиче

скими законами распределения

Граница интервала, мм -0,05 0,68 0,68 1,41 1,41 2,14 2,14 2,87 2,87 3,6 3,6 4,33 4,33 5,06

Середина интервала, мм 0,315 1,045 1,775 2,505 3,235 3,965 4,695

Опытная частота, гт 3 3 4 10 6 4 2

К м 4 Ч о Опытная вероятность ) 0,094 0,094 0,125 0,313 0,188 0,125 0,063

1 & &> о а го а> Л Теоретическая вероятность Р(!„ ) Рц оо К 0,043 0,112 0,205 0,248 0,205 0,118 0,043

Я "5Г Р ^ со т Рч СО 0,042 0,124 0,213 0,227 0,181 0,125 0,057

О я й Л и Накопленная опытная вероятность 1 0,094 0,188 0,313 0,626 0,814 0,939 1,002

го & & 1 ё Я К Функция распределения Рч со к 0,06 0,17 0,37 0,61 0,82 0,94 0,98

/•; - с, ,) т Рч со 0,02 0,1 0,27 0,63 0,83 0,97 1

Теоретическая частота Рч со X 2 4 6 8 7 4 1

т 11 т Рч СО 1 3 5 12 6 4 1

Для выбора теоретического закона распределения (ТЗР) следует определить критерий согласия Пирсона:

V

(топГтпУ

тТг

2

Определим для закона нормального распределения (ЗНР) X2 = (3-2)2/2+(3-4)2/4 +(4-6)2/6+(10-8)2/8 +(6-7)2/7 + (4-4)2/ 4+(2-1)2/1 = 3,06.

Для закона распределения Вейбула (ЗРВ)

х2 =(3-1)2/1 +(3-3)2/3 +(4-5)2/5+(10-12)2/12+(6-6)2/6 +(4-4)2/4 +(2-1)2/1=5,53.

2

2.

Для ЗНР - Р% = 54,8%; для ЗРВ - Р% = 23,7%.

Следовательно, теоретический закон ЗНР подходит лучше для определения средней величины износа, характеристики рассеивания и других показателей.

Определив ТЗР, получаем дифференциальную и интегральную теоретические функции распределения величин износа.

Определение доверительных границ рассеивания значений величин износа

Доверительные границы рассеивания среднего значения износа определяются по формуле:

Тн = т \

!? = т+ц -Т-,

1£= 2,53 - 1,98 • 2,04/^32 = 2,1055

мм;

1^ = 2,53 + 1,98 • 2,04/^32 = 2,9545 мм.

С вероятностью (3 = 0,95 можно утверждать, что истинное неизвестное нам среднее значение исследуемого показателя надежности находится в пределах от 1,04 до 4,0 мм.

Определение статистической ошибки

1« -I

1-1,

■100% ■

р(I );р(I ) Гистограмма и полигон опытных вероятностей износа

-Гистограмма Полигон -Кривая

0,73 1,46 2,19 2,92

3,65 4,38

5,11 5,84

I, ММ

р( Iс )

0,3

0,25

0,1

Гистограмма опытных вероятностей износа

5,11

I, ММ

0,35

0,3

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

0

0

0,35

0,2

0,15

0

0,73

1,46

2,19

2,92

3,65

4,38

Полигон распределения опытных вероятностей и теоретическое р(I^);р(1а) распределение вероятностей износа

0,35

р (Iс) р (Iс)

\ /1 /

/ <7 ч. у

А / У ч

/ / V /

ч

0,25

0,2

0,05

0,73 1,46

2,19 2,92

5,84

/, лш

0,3

0,15

0,1

0

3,65

4,38

5,11

Накопленные опытные вероятности износа и интегральная функция ); ) закона распределения износа

т н** |

0,8

0,6

0,73 1,46 2,19 2,92 3,65 4,38 5,11 5,84

/, ММ

0,4

0,2

лап культиватора восстановленных двусторонним борированием

Таблица 3.21 - Сводная ведомость величин износа носка лап культиватора

№ п/п Износ, мм № п/п Износ, мм № п/п Износ, мм № п/п Износ, мм

1 27,78 9 28,4 17 28,79 25 29,14

2 28,01 10 28,43 18 28,8 26 29,2

3 28,12 11 28,46 19 28,92 27 29,21

4 28,3 12 28,5 20 28,96 28 29,36

5 28,31 13 28,56 21 28,97 29 29,52

6 28,37 14 28,57 22 28,97 30 29,6

7 28,39 15 28,63 23 29,04 31 29,9

8 28,4 16 28,66 24 29,12 32 29,99

Таблица 3.22 - Результаты выравнивания опытных данных теоретиче

скими законами распределения

27,6 27,97 28,34 28,71 29,08 29,45 29,82

Граница интервала, мм

27,97 28,34 28,71 29,08 29,45 29,82 30,19

Середина интервала, мм 27,785 28,155 28,525 28,895 29,265 29,635 30,005

Опытная частота, гш 1 4 11 7 5 2 2

§ и Я си Опытная вероятность Р(4 ) 0,031 0,125 0,344 0,219 0,156 0,063 0,063

1 & <Ц о а го о а Теоретическая вероятность Р(С,) НЗР 0,042 0,118 0,237 0,279 0,202 0,091 0,028

Ж. 5 11 ^ со ЗРВ 0,035 0,116 0,227 0,252 0,208 0,103 0,037

И Накопленная опытная

« 15 § 5 ид вероятность 1 0,031 0,156 0,5 0,719 0,875 0,938 1,001

а & & 1 ё я к Функция распределения НЗР 0,05 0,17 0,4 0,67 0,88 0,97 1

/•; с,,) ЗРВ 0,02 0,09 0,37 0,63 0,91 0,98 1

Теоретическая частота НЗР 1 4 7 9 7 3 1

т 11 ЗРВ 1 2 9 8 9 2 1

Для выбора теоретического закона распределения (ТЗР) следует определить критерий согласия Пирсона:

2 У

(т

от

-тп

Р

тТг

Определим для закона нормального распределения (ЗНР) X2 = (1-1)2/1+(4-4)2/4 +(11 -7)2/7+(7-9)2/9 +(5-7)2/7 + (2-3)2/ 3+(2-1)2/1 = 4,63. Для закона распределения Вейбула (ЗРВ)

X2 = (1-1)2/1 +(4-2)2/2 +(11-9)2/9+(7-8)2/8+(5-9)2/9 +(2-2)2/2 +(2-1)2/1 = 5,35.

2

2.

Тогда: для ЗНР - Р% = 32,7%; доя ЗРВ - Р% = 25,3%. Следовательно, теоретический закон ЗНР подходит лучше для определения средней величины износа, характеристики рассеивания и других показателей.

Определив ТЗР, получаем дифференциальную и интегральную теоретические функции распределения износа. Определение доверительных границ рассеивания значений величин износа Доверительные границы рассеивания среднего значения износа определяются по формуле:

Ц= 28,84 - 1,98 • 2,04/^32 == 28,649 мм; 1Ър = 28,84 + 1,98 • 2,04/^32 = 29,031 мм

1+^

С вероятностью (3 = 0,95 можно утверждать, что истинное неизвестное нам среднее значение исследуемого показателя надежности находится в пределах от 28,1 до 29,6 мм.

Определение статистической ошибки

1« -I

1-1„

■100% ■

р(1 );р(1 ) Гистограмма и полигон опытных вероятностей износа

— Гистограмма

— Полигон -■-Кривая

27,23 27,6 27,97 28,34 28,71 29,08

29,45 29,82

30,19 30,Ь6

I, ММ

р( I„)

0,4

0,35

0,3

0,25

0,2

Гистограмма опытных вероятностей износа

29,82 ВО,19

I, ММ

0,4

0,35

0,3

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

0

0,15

0,1

27,6

Полигон распределения опытных вероятностей и теоретическое р(1г);р( 1<л) распределение вероятностей износа

0,4

0,35

0,2

0,15

Р( !С1)

27,6 27,97 28,34 28,71 29,08 29,45 29,82 30,19 30,56

/, ли/

Накопленные опытные вероятности износа и интегральная функция ); ) закона распределения износа

0,8

0,2

> 1 1

щ } Кг)

-1

27,6 27,97 28,34 28,71 29,08 29,45 29,82 30,19 30,56

I, ММ

0,3

0,25

0,1

0,05

1

1

0,6

0,4

Определение закономерности распределения величин износа носка лап культиватора восстановленных наплавкой

Таблица 3.23 - Сводная ведомость величин износа носка лап культиватора восстановленных наплавкой

№ n/n Износ, MM № n/n Износ, MM № n/n Износ, MM № n/n Износ, MM

1 27,62 9 28,33 17 28,79 25 29,19

2 27,96 10 28,37 18 28,81 26 29,26

3 28 11 28,43 19 28,83 27 29,28

4 28,01 12 28,45 20 28,89 28 29,29

5 28,09 13 28,57 21 28,95 29 29,36

6 28,09 14 28,72 22 29,01 30 29,39

7 28,31 15 28,77 23 29,06 31 29,59

8 28,33 16 28,79 24 29,07 32 29,69

Таблица 3.24 - Результаты выравнивания опытных данных теоретическими

законами распределения

27,45 27,8 28,15 28,5 28,85 29,2 29,55

Граница интервала, мм

27,8 28,15 28,5 28,85 29,2 29,55 29,9

Середина интервала, мм 27,625 27,975 28,325 28,675 29,025 29,375 29,725

Опытная частота, гш 1 5 6 7 6 5 2

® о Опытная вероятность P(Ici) 0,031 0,156 0,188 0,219 0,188 0,156 0,063

1 & <Ц о Теоретическая вероятность НЗР 0,032 0,095 0,191 0,254 0,223 0,127 0,051

Т" р. P(Ii )

"в* Я Р ^ со ЗРВ 0,032 0,105 0,206 0,233 0,213 0,124 0,069

Я Накопленная опытная

>я 1 3 ч Я й вероятность 1 0,031 0,187 0,375 0,594 0,782 0,938 1,001

§ & & 1 ё & я к Функция распределения НЗР 0,04 0,14 0,33 0,58 0,8 0,93 0,98

ЗРВ 0,02 0,04 0,26 0,5 0,84 0,96 0,99

Теоретическая частота НЗР 1 3 6 8 7 4 2

h ЗРВ 1 1 7 8 11 4 1

(топГтП?Л

n f

y

m

Ti

Определим для закона нормального распределения (ЗНР) X2 = (1-1)2/1+(5-3)2/3 +(6-6)2/6+(7-8)2/8 +(6-7)2/7 + (5-4)2/ 4+(2-2)2/2 = 1,85. Для закона распределения Вейбула (ЗРВ)

X2 = (1-1)2/1 +(5-1)2/1 +(6-7)2/7+(7-8)2/8+(6-11)2/11 +(5-4)2/4 +(2-1)2/1 = 19,79.

2

2.

Для ЗНР - Р% = 76,3%; для ЗРВ - Р% = 0,1%.

Следовательно, теоретический закон ЗНР подходит лучше для определения средней величины износа, характеристики рассеивания и других показателей.

Определив ТЗР, получаем дифференциальную и интегральную теоретические функции распределения величин износа. Определение доверительных границ рассеивания значений величин износа Доверительные границы рассеивания среднего значения износа определяются по формуле:

Ц= 28,74 - 1,98 • 2,04/^32 == 28,542 мм; 1? = 28,74 + 1,98 • 2,04/ л/32 ==28,938 мм

1+^

С вероятностью (3 = 0,95 можно утверждать, что истинное неизвестное нам среднее значение исследуемого показателя надежности находится в пределах от 28,0 до 29,4 мм.

Определение статистической ошибки

1« -I

1-1„

■100% ■

еа = (14,612 - 14,76) / (14,76 - 13,73) • 100 = 14,4 %.

Точность расчётов вполне достаточна, так как допустимо еа < 20%.

Результаты определения распределения величин износа носка лап культиватора восстановленных наплавкой

р(/ );р(I ) Гистограмма и полигон опытных вероятностей износа

0,3

0,25

0,15

0,1

— Гистограмма

— Полигон

27,1 27,45 27,8 28,15 28,5 28,85 29,2

29,55 29,9 30,25

I, ММ

0,2

0,05

0

Накопленные опытные вероятности износа и интегральная функция F{IKl); F(1К.) закона распределения износа

0,8

0,6

} К') V.)

-1 1-----

о 27,45 27,8 28,15 28,5 28,85 29,2 29,55 29,9 30,25

I ММ

0,4

0,2

Определение закономерности распределения величин износа носка

лап культиватора восстановленных односторонним борированием

Таблица 3.25 - Сводная ведомость величин износа носка лап культиватора восстановленных односторонним борированием_

№ п/п Износ, мм № п/п Износ, мм № п/п Износ, мм № п/п Износ, мм

1 27,94 9 28,83 17 29,08 25 29,24

2 28,11 10 28,94 18 29,15 26 29,4

3 28,4 11 28,94 19 29,17 27 29,4

4 28,43 12 28,98 20 29,18 28 29,42

5 28,56 13 29,02 21 29,19 29 29,56

6 28,64 14 29,03 22 29,21 30 29,78

7 28,71 15 29,05 23 29,23 31 30,02

8 28,82 16 29,08 24 29,23 32 30,09

Таблица 3.26 - Результаты выравнивания опытных данных теоретиче

скими законами распределения

27,76 28,12 28,48 28,84 29,2 29,56 29,92

Граница интервала, мм

28,12 28,48 28,84 29,2 29,56 29,92 30,28

Середина интервала, мм 27,94 28,3 28,66 29,02 29,38 29,74 30,1

Опытная частота, гш 2 2 5 12 7 2 2

§ и Я си Опытная вероятность P(Ici) 0,063 0,063 0,156 0,375 0,219 0,063 0,063

1 & <Ц о Теоретическая вероятность НЗР 0,021 0,084 0,197 0,274 0,239 0,126 0,042

Т" р. P(I„ )

11 ^ со ЗРВ 0,015 0,076 0,163 0,259 0,245 0,13 0,059

X Накопленная опытная

я Л Л и вероятность 1 0,063 0,126 0,282 0,657 0,876 0,939 1,002

« & & 1 ё I к Функция распределения НЗР 0,03 0,11 0,3 0,58 0,82 0,95 0,99

/•; - / (г.,) ЗРВ 0,01 0,03 0,23 0,49 0,76 0,97 1

Теоретическая частота НЗР 1 3 6 9 8 4 1

mr.„ Ii ЗРВ 0 1 6 8 9 7 1

2 У

(m

от

-mTi

У

m

Определим для закона нормального распределения (ЗНР) X2 = (2-1)2/1+(2-3)2/3 +(5 -6)2/6+( 12-9)2/9 +(7-8)2/8 + (2-4)2/ 4+(2-1)2/1 = 4,63.

Для закона распределения Вейбула (ЗРВ) X2 = (2-0)2/0 +(2-1)2/1 +(5-6)2/6+(12-8)2/8+(7-9)2/9 +(2-7)2/7 +(2-1)2/1 =8,18.

2 2.

Для ЗНР - Р% = 32,7%; для ЗРВ - Р% = 17,4%.

Следовательно, теоретический закон ЗНР подходит лучше для определения средней величины износа, характеристики рассеивания и других показателей.

Определив ТЗР, получаем дифференциальную и интегральную теоретические функции распределения величин износа.

Определение доверительных границ рассеивания значений величин износа

Доверительные границы рассеивания среднего значения износа определяются по формуле:

= 29,1 - 1,98 • 2,04/^32 = 28,915 мм; = 29,1 + 1,98 • 2,04/^32 = 29,285 мм

1+^

С вероятностью (3 = 0,95 можно утверждать, что истинное неизвестное нам среднее значение исследуемого показателя надежности находится в пределах от 28,29 до 29,82 мм.

Определение статистической ошибки

1« -I

1-1„

■100% ■

Результаты определения распределения величин износа носка лап культиватора восстановленных односторонним борированием

р(I );р(I ) Гистограмма и полигон опытных вероятностей износа

0,35

0,25

0,15

0,05

— Гистограмма Полигон

27,4 27,76 28,12 28,

29,56

30,28 30,64

/, ММ

0,4

0,3

0,2

0,1

0

Полигон распределения опытных вероятностей и теоретическое р(1ы );р(1ы ) распределение вероятностей износа

д

1 р (1С1) 1 у р(