Разработка высокоэффективных технологий ремонта агрегатов навесных гидросистем тракторов с применением метода электроискровой обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.03, кандидат наук Величко, Сергей Анатольевич

• Величко, Сергей Анатольевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Величко, Сергей Анатольевич

Введение...................................................................... 8

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ

И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ............................................ 20

1.1 Анализ причин потери работоспособности агрегатов

навесных гидросистем тракторов.................................... 20

1.2 Анализ методов определения предельных и допустимых

без ремонта размеров рабочих поверхностей деталей............ 43

1.3 Анализ способов ремонта гидроагрегатов и повышения

их долговечности........................................................ 50

1.4 Перспективы применения метода электроискровой обработки

в ремонтном производстве............................................. 67

1.5 Характеристики покрытий, образованных в процессе электроискровой обработки........................................... 70

1.5.1 Общие закономерности формирования электроискровых покрытий на катоде...................................................... 70

1.5.2 Кинетика формирования электроискровых покрытий

на поверхности детали.................................................. 71

1.5.3 Микротвердость электроискровых покрытий..................... 76

1.5.4 Микрогеометрия покрытий, сформированных методом электроискровой обработки............................................ 80

1.6 Выводы по главе 1, цель и задачи исследования.................. 82

2 НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ АГРЕГАТОВ НАВЕСНЫХ ГИДРОСИСТЕМ ТРАКТОРОВ...................................... 86

2.1 Средний полный ресурс агрегатов навесных гидросистем за

период эксплуатации................................................... 86

2.2 Расчетно-экспериментальная оценка повышения износостойкости рабочих поверхностей деталей гидроагрегатов........................................................... 90

2.2.1 Условия взаимодействия рабочих поверхностей деталей ресурсоопределяющих сопряжений агрегатов навесных гидросистем тракторов.................................................. 90

2.2.2 Пути снижения интенсивности изнашивания рабочих поверхностей деталей пар трения гидроагрегатов................ 100

2.3 Прогноз среднего ресурса отремонтированных гидроагрегатов по результатам лабораторных испытаний образцов пар трения и эксплуатационных наблюдений......... 109

2.4 Технологические аспекты формирования электроискровых покрытий для восстановления и упрочнения рабочих поверхностей деталей................................................... 121

2.4.1 Механизм процесса электроискровой обработки с применением генераторов импульсного тока с контактным началом разряда.......................................................... 121

2.4.2 Особенности формирования электроискровых покрытий при механизированной обработке стержневым вращающимся электродом............................................................... 129

2.5 Выводы по главе 2......................................................... 138

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................... 142

3.1 Программа исследований....................................................................................142

3.2 Исследование технического состояния бывших

в эксплуатации агрегатов навесных гидросистем тракторов ... 145

3.2.1 Методики стендовой оценки параметров работоспособности

гидроагрегатов........................................................... 147

3.2.2 Методика микрометражных исследований износов

и дефектов деталей гидроагрегатов................................. 154

3.3 Методика оценки толщины и качества электроискровых покрытий.................................................................. 164

3.4 Методика оценки значений параметров

шероховатости поверхностей.......................................... 169

3.5 Исследование микротвердости покрытий, образованных методом электроискровой обработки................................ 174

3.6 Методика определения пластических свойств

поверхностей образцов................................................. 179

3.7 Методика определения условного предела

текучести поверхностей образцов.................................... 182

3.8 Методика определения удельной сдвиговой прочности молекулярных связей на границе раздела двух твердых тел ... 184

3.9 Методика оценки фрикционной усталости

поверхностей образцов................................................. 190

3.10 Лабораторные триботехнические испытания

образцов пар трения..................................................... 192

3.11 Оценка показателей технического ресурса новых и отремонтированных агрегатов навесных гидросистем тракторов сельскохозяйственного назначения

в условиях рядовой эксплуатации.................................... 195

3.12 Выводы к главе 3........................................................ 199

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ..................................................... 202

4.1 Оценка технического состояния бывших в эксплуатации

агрегатов навесных гидросистем тракторов.............................. 202

4.1.1 Техническое состояние круглых шестеренных насосов........ 202

4.1.2 Техническое состояние гидрораспределителей................... 218

4.1.3 Техническое состояние гидроцилиндров........................... 241

4.2 Моделирование связи толщины электроискровых покрытий с факторами, определяющими ее значение................................... 251

4.2.1 Исследование влияния технологических факторов на толщину покрытий при ручной электроискровой обработке. 252

4.2.2 Исследование влияния технологических факторов на толщину покрытий при механизированной электроискровой обработке.................................................................. 265

4.3 Оценка параметров шероховатости рабочих поверхностей деталей пар трения....................................................... 273

4.4 Оценка механических свойств поверхностных слоев образцов

пар трения.................................................................. 283

4.4.1 Микротвердость......................................................................................283

4.4.2 Относительное удлинение поверхностных слоев................. 302

4.4.3 Условный предел текучести........................................... 304

4.5 Исследование фрикционных свойств поверхностей деталей

пар трения.................................................................. 305

4.5.1 Удельная сдвиговая прочность молекулярных связей........... 305

4.5.2 Фрикционная усталость................................................ 310

4.5.3 Коэффициент трения и интенсивность изнашивания............ 313

4.6 Оценка гамма-процентного ресурса агрегатов навесных гидросистем тракторов сельскохозяйственного назначения в доремонтный и межремонтный периоды рядовой эксплуатации............................................................. 325

4.6.1 Оценка гамма-процентного ресурса круглых шестеренных

насосов ....................... 325

4.6.2 Оценка гамма-процентного ресурса клапанно-золотниковых гидрораспределителей ................. 329

4.6.3 Оценка гамма-процентного ресурса

гидроцилиндров серии С.............................................................. 333

4.7 Выводы к главе 4........................................................ 338

5 ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ АПРОБАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ И СРЕДСТВ РЕМОНТА АГРЕГАТОВ НАВЕСНЫХ ГИДРОСИСТЕМ ТРАКТОРОВ............................................................... 344

5.1 Технологические рекомендации по ремонту агрегатов

навесных гидросистем тракторов....................................... 344

5.1.1 Технологические рекомендации по ремонту круглых шестеренных насосов (на примере насоса НШ32 А)............. 344

5.1.2 Технологические рекомендации по ремонту клапанно-золотниковых гидрораспределителей (на примере гидрораспределителя Р80).............................................. 354

5.1.3 Технологические рекомендации по ремонту гидроцилиндров серии С (на примере гидроцилиндра С100)......................... 361

5.2 Модернизация устройств технологического оснащения производственных участков по ремонту гидроагрегатов....... 365

5.2.1 Устройства для электроискровой обработки....................... 365

5.2.2 Устройства для оснащения участков по ремонту

агрегатов навесных тракторов........................................ 372

5.3 Производственная апробация технологических рекомендаций и средств ремонта на предприятиях технического сервиса АПК........................................................................ 377

5.4 Выводы к главе 5........................................................ 380

6 ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ..... 382

6.1 Себестоимость ремонта агрегатов навесных гидросистем тракторов................................................................... 382

6.2 Проектно-финансовый анализ инвестиционной привлекательности для ремонтного производства новых технологий ремонта агрегатов навесных гидросистем

тракторов.................................................................. 388

6.3 Выводы к главе 6......................................................... 395

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................... 396

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................ 402

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................ 434

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка высокоэффективных технологий ремонта агрегатов навесных гидросистем тракторов с применением метода электроискровой обработки»

Введение

Актуальность темы. В Доктрине продовольственной безопасности, утвержденной Президентом Российской Федерации 30 января 2010 г., указано на необходимость устойчивого развития отечественного производства продовольствия и сырья, достаточного для обеспечения продовольственной независимости страны [1].

Важнейшая роль в достижении этой цели отводится реализации Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 - 2020 годы [2]. Комплекс взаимосвязанных мер предусматривает поступательное социально-экономическое развитие агропромышленного комплекса (АПК) на основе его модернизации и перехода к инновационной модели функционирования в условиях расширения мировых хозяйственных связей, устойчивого развития сельских территорий и позитивного влияния на макроэкономические показатели страны [3].

Однако по-прежнему вопросы развития инженерно-технических систем остаются за рамками федеральных и ведомственных целевых программ развития, включая новые проекты на период до 2020 года.

Первостепенной проблемой развития АПК остается технико-технологическое отставание сельского хозяйства России от развитых стран мира из-за недостаточного уровня доходов сельскохозяйственных товаропроизводителей для осуществления модернизации, а также стагнации сельхозмашиностроения.

В соответствии с данными отчетности формы «1-рем» «Оперативные данные по проведению ремонта сельскохозяйственной техники» за период 2001...2013 гг. [4], представленными агропромышленными формированиями субъектов Российской Федерации в Минсельхоз России, средний показатель поступления новой техники в АПК России составляет в последние годы 0,9.2,7 % от наличия, списание - 4,3.8,2 %. Выбытие опережает поступление в

2,5.5 раз. Сроки фактической эксплуатации машин превышают нормативы в 2.3 раза. Около 75 % машинно-тракторного парка в аграрном секторе российской экономики выработало свой срок службы, что влечет за собой повышенные затраты на поддержание его в работоспособном состоянии, которые могут достигать более 65 млрд. руб. в год.

Обеспечение высокой работоспособности сельскохозяйственной техники требует создания и четкого функционирования материально-технической базы обслуживания и ремонта машин. Однако в процессе реформирования экономики наибольшим отрицательным преобразованиям подверглась именно система ремонтно-обслуживающей базы АПК, ориентированная главным образом на специализацию цехов и организацию технологического процесса на промышленной основе. Технологические линии всех известных специализированных цехов ремонтных предприятий «Сельхозтехники» остановлены.

Некоторые ремонтно-технические предприятия сохранились, но до минимума сократились объемы выполняемых ими сервисных работ, другие, разделившись на несколько частных малых предприятий разного профиля, -утратили свою самостоятельность и ранее выполняемые функции. Таким образом, доля ремонта машин, выполненного на ремонтно-технических предприятиях и ремонтных заводах, в целом сохраняет тенденцию к уменьшению и в настоящее время снизилась по всему парку тракторов с 3,6 до 2,3 % [4].

Ремонт машин в осенне-зимний период при подготовке техники к полевым работам сельскохозяйственные предприятия выполняют в основном собственными силами в своих ремонтных мастерских. При этом техническое обслуживание и ремонт машин проводятся с нарушениями действующих типовых технологий. Имеющееся в производственных мастерских ремонтно-технологическое оборудование устарело, новые технологии выполнения ремонтных работ не применяются, практически не осуществляется восстановление изношенных деталей. Все это ведет к увеличению затрат на ремонт техники, сроков выполнения ремонта, к ухудшению его качества и в

конечном итоге к снижению уровня технической готовности машинно-тракторного парка.

Однако анализ проблемы показывает, что в сельском хозяйстве сохраняется актуальность проведения ремонтных работ сложных узлов и агрегатов машин на специализированных предприятиях. В работах известных ученых Батищева А.Н. [5-6], Бурумкулова Ф.Х. [7-9], Голубева И.Г. [10-13], Коломейченко А.В. [14-18], Латыпова Р.А. [19-23], Лялякина В.П. [24-25], Нафикова М.З. [26-27], Сайфуллина Р.Н. [28-31], Сенина П.В. [32-33], Фархшатова М.Н. [34-35], Черноиванова В.И. [36-37], Юдина В.М. [38-40] и др. отмечается, что ремонт с восстановлением и упрочнением деталей является серьезной, далеко не реализованной научной проблемой, решающей важные народнохозяйственные задачи.

В ГОСНИТИ под руководством академика В.И. Черноиванова разработана «Концепция модернизации инженерно-технической системы сельского хозяйства России на период до 2020 года», направленная на создание предприятий технического сервиса АПК, выступающих в роли инновационных центров, целевой задачей которых является обеспечение сельхозтоваропроизводителей отремонтированными агрегатами и узлами, средний межремонтный ресурс которых не ниже доремонтного при себестоимости не выше 30-50 % от стоимости новых [41].

Для обеспечения высокоресурсного ремонта в инновационных центрах должны быть созданы участки по восстановлению и упрочнению деталей, внедрены комплексы соответствующего технологического оборудования, обеспечивающие совокупную экономическую эффективность ремонта сельхозтоваропроизводителям.

Уникальность данного проекта состоит в использовании современных методов нанесения покрытий, основанных на использовании источников, обеспечивающих поток энергии с удельной мощностью в пятне нагрева более 102

л

Вт/мм . В настоящее время наиболее перспективным направлением является обработка электрической искрой в воздухе.

Развитию представления о физической природе механизма эрозии под

действием электрического разряда посвящены фундаментальные труды Авсеевича О.И. [42], Верхотурова А.Д. [43-45], Гитлевича А.Е. [46], Золотых Б.Н. [47-48], Лазаренко Б.Р. и Н.И. [49-51], Некрашевича И.Г. [52], Самсонова Г.В. [53] и др.

Легирование и упрочнение деталей и инструментов электрической искрой основано на экспериментально установленном факте, что под воздействием электрического импульсного разряда в газовой среде, протекающего между анодом (наплавочный электрод) и катодом (деталь), происходит их разрушение и направленный перенос эродированных материалов на противолежащие электроды. При этом, как правило, значительно превалирует разрушение электрода - анода.

Следовательно, в отличие от технологий, где источник тепла и рабочий материал формируются отдельно, электрическая искра, как технологический инструмент, осуществляет разрушение электрода и формирование на поверхности детали покрытия с заданными функциональными свойствами.

Универсальность электрической искры как технологического инструмента дает возможность использовать одно и то же оборудование для различных технологических целей и совмещать в одном цикле обработки различные технологические процессы.

Первые исследования по применению электроискрового легирования (ЭИЛ) для восстановления деталей сельскохозяйственной техники в начале 1950-ых годов провели Алиев А.Э. [54] и Поляченко А.В. [55], а затем в других отраслях промышленности их продолжили Иванов Г.П. [56], Новиков Ю.Н. [57], Косенко А.Г. [58], Снежков В.А. [59], Хабибуллина Н.В. [60] и др.

По результатам этих работ были выработаны рекомендации для упрочнения и восстановления деталей, но они не получили поддержки у ремонтников по ряду причин. Главные из них - это несогласованные действия разработчиков источников энергии и технологов, неправильный выбор объектов для обработки и неудовлетворительная подготовка операторов.

Однако в последние десятилетия ситуация начала меняться. В связи с тем,

что современному ремонтному производству оказались нужны универсальные технологии и средства, для восстановления деталей разработано новое поколение генераторов, позволяющих наносить покрытия толщиной более 0,5 мм и

л

производительностью 6-8 см /мин.

В результате на основе метода ЭИЛ сформировалось самостоятельное направление - электроискровая обработка (ЭИО), обладающая широкими возможностями в области нанесения функциональных покрытий для восстановления изношенных поверхностей деталей [6].

Первые научные работы в этой области, выполненные под руководством профессора Бурумкулова Ф.Х., были посвящены ремонту гидроагрегатов [61-70].

Актуальность выбранного направления обусловлена невысокой эксплуатационной надежностью гидроагрегатов. В частности, по данным ВНИИТУВИД «Ремдеталь» и более современных работ ГОСНИТИ, доля отказов насосов НШ в навесных гидросистемах тракторов сельскохозяйственного назначения составляет 13...19 % от общего числа отказов тракторов, гидрораспределителей - 7...11 % и гидроцилиндров - 5.8 %.

Существенный вклад в изучение проблем повышения надежности и долговечности гидроагрегатов внесли Барышев В.И. [71], Вегера В.П. [72], Дидур В.А. [73], Лозовский В.Н. [74], Черкун В.Е. [75], Янсон В.М. [76] и др.

Труды известных ученых в большей степени подчеркивают актуальность проблемы, при этом апробированные на опытно-производственных участках технологии ремонта, в том числе и с восстановлением деталей различными способами, так и не нашли широкого практического применения на ремонтных предприятиях. В 70-80 годах прошлого столетия промышленное распространение получил лишь электролитический способ нанесения хрома. Однако в настоящее время в связи с высокой энергоемкостью и экономической нецелесообразностью все технологические линии специализированных цехов ремонтных предприятий реорганизованы.

С конца 1990-ых годов в России и странах СНГ ремонт гидроагрегатов практически не производится. К тому же массово организованный в г.

Мелитополь (Украина) «гаражный» ремонт существенно подорвал авторитет ведущего производителя гидрокомплектов ОАО «Гидросила» на рынке запасных частей. При полном внешнем сходстве и одинаковой стоимости, по результатам наших исследований, средний ресурс таких гидрораспределителей не превышает 300-500 часов.

Еще более остро стоит проблема повышения долговечности гидроагрегатов зарубежного производства. Из-за отсутствия нормативно-технической, технологической и конструкторской документации, отсутствия опыта и технологии они считаются не ремонтнопригодными.

Сельхозтоваропроизводители вынуждены приобретать новые гидрокомплекты по рыночной стоимости, что значительно увеличивает расходы на поддержание техники в работоспособном состоянии. Практика показывает, что ежегодно на ремонт агрегатов навесных гидросистем тракторов затрачивается более 1,5 млрд. рублей.

Таким образом, дефицит, низкое качество и высокая стоимость запасных частей ведут к увеличению числа предприятий, которые готовы внедрять новые технологии и получать экономические выгоды от ремонта гидроагрегатов.

Коммерческий успех сравнительно небольшого предприятия технического сервиса в решающей степени будет определяться его гибкостью и возможностью обеспечить качественный ремонт агрегатов широкой номенклатуры при себестоимости не выше 20-50 процентов от стоимости нового.

Исследования проведены в соответствии с темами НИР государственного задания:

- Россельхозакадемии: № 04.02.26 «Разработать методы повышения надежности деталей и сопряжений гидрораспределителей с круглыми и плоскими золотниками типа Р75/80 и Р-12П»; № 04.02.26 «Разработать методы повышения надежности деталей и сопряжений овальных насосов типа НШ-У с применением электроискровых технологий»; № 03-14-11 «Провести рентгеноструктурные и металлографические исследования нанокомпозитных покрытий на поверхности стали 20Х, образованных при электроискровой обработке компактными

электродами из стали 65Г и Св 08»; № 09.04.03.04 «Разработать типовую технологию ремонта гидроцилиндров Ц-55, Ц-75, Ц-75Б, Ц-90, Ц-100, Ц-110, Ц-125 с восстановлением и упрочнением изношенных деталей комбинированными методами»;

- Министерства образования и науки РФ: № 7.5566.2011 «Исследование структуры и свойств новых нанокомпозитных материалов, полученных с использованием источников концентрированной энергии»; проект 2957 «Исследование технологической основы формирования функциональных покрытий с использованием электрофизических методов и их комбинированием» в рамках базовой части госзадания Минобрнауки РФ № 2014/84; № 11.3416.2017/4.6 «Разработка технологий и средств повышения долговечности деталей, узлов, агрегатов машин и оборудования путем создания наноструктурированных покрытий источниками концентрированной энергии».

Цель работы - повышение долговечности агрегатов навесных гидросистем тракторов путем создания на изношенных поверхностях деталей ресурсоопределяющих сопряжений электроискровых покрытий с высокой износостойкостью.

Объект исследования - средний межремонтный ресурс агрегатов навесных гидросистем тракторов, отремонтированных с восстановлением и упрочнением рабочих поверхностей деталей ресурсоопределяющих сопряжений методом электроискровой обработки.

Предмет исследования - микрогеометрические характеристики и механические, фрикционные, триботехнические свойства покрытий, сформированных методом электроискровой обработки.

Научную новизну работы представляют:

1. Статистические связи параметра работоспособности гидроагрегатов с износами рабочих поверхностей деталей.

2. Результаты расчетно-экспериментальной оценки износостойкости новых и восстановленных с применением метода электроискровой обработки рабочих поверхностей деталей ресурсоопределяющих сопряжений агрегатов навесных

гидросистем тракторов.

3. Математические модели связи толщины покрытий с параметрами технологических режимов при ручной и механизированной электроискровой обработке.

4. Вероятностно-статистическая оценка опорной поверхности профиля сформированного при механизированной электроискровой обработке.

5. Механические, фрикционные и триботехнические свойства измененного поверхностного слоя, сформированного методом электроискровой обработки.

6. Параметры законов распределения средних ресурсов агрегатов навесных гидросистем тракторов в доремонтный и межремонтный периоды рядовой эксплуатации.

Практическую значимость работы представляют:

1. Значения предельных размеров деталей агрегатов навесных гидросистем тракторов.

2. Оптимальные режимы формирования электроискровых покрытий при ручной и механизированной обработке, функционально пригодных для восстановления изношенных рабочих поверхностей деталей гидроагрегатов.

3. Высокоэффективные технологии и средства ремонта круглых шестеренных насосов, клапанно-золотниковых гидрораспределителей, поршневых гидроцилиндров, с восстановлением и упрочнением деталей методом электроискровой обработки.

Методология и методики исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием известных методов статистического анализа и положений теории надежности, молекулярно-механической теории трения и физической природы механизма электрической эрозии материалов.

Экспериментальные исследования выполнены по общим и частным методикам с использованием современного научно-исследовательского оборудования и средств измерений лаборатории «Технологии и средства создания покрытий с заданными служебными свойствами» МГУ им. Н.П. Огарева и наноцентра федерального научного агроинженерного центра ВИМ.

Статистическая обработка результатов исследований проведена с использованием программы «Statistica».

Положения, выносимые на защиту:

1. Статистическая оценка параметров работоспособности, износов и дефектов деталей бывших в эксплуатации агрегатов навесных гидросистем тракторов.

2. Обоснование повышения среднего межремонтного ресурса агрегатов навесных гидросистем тракторов.

3. Технологические аспекты формирования электроискровых покрытий при ручной и механизированной обработке для восстановления и упрочнения рабочих поверхностей деталей.

4. Результаты экспериментальных исследований микрогеометрии, механических, фрикционных и триботехнических свойств покрытий, полученных методом электроискровой обработки.

5. Результаты оценки среднего ресурса агрегатов навесных гидросистем тракторов сельскохозяйственного назначения в доремонтный и межремонтный периоды рядовой эксплуатации.

6. Технологии и средства ремонта агрегатов навесных гидросистем тракторов с восстановлением и упрочнением изношенных рабочих поверхностей деталей методом электроискровой обработки и их технико-экономическая оценка инвестиционной привлекательности для ремонтного производства.

Достоверность результатов исследования основана на всестороннем анализе выполненных ранее научно-исследовательских работ; соответствии теории строго доказанным и корректно используемым выводам фундаментальных и прикладных наук; применении в экспериментальных исследованиях апробированного научно-методического аппарата и сертифицированного современного метрологического оборудования; качественном анализе в сочетании со статистическими методами обработки результатов; репрезентативности выборок.

Результаты, полученные в ходе диссертационного исследования,

согласуются с результатами, опубликованными в независимых источниках по тематике исследования, прошли широкую апробацию в печати, на международных и всероссийских научно-практических конференциях и широко используются на практике.

Реализация результатов исследования. В соответствии с 217-ФЗ на базе Института механики и энергетики ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарева» создано и эффективно функционирует малое инновационное предприятие ООО «Агросервис», в основе производственной деятельности которого лежат результаты научных исследований по теме диссертации.

Разработанные технологические процессы внедрены на ремонтных предприятиях: ЗАО Ярославское РТП (г. Ярославль), Вольское ОАО «Сельхозтехника» (г. Вольск, Саратовская обл.), ОАО «Некрасовскагропромтехснаб» (п. Некрасовский, Ярославская обл.), ОАО «Грачевский завод «Гидроагрегат» (с. Грачевка, Ставропольский кр.), ООО «СОГА» (г. Краснодар, Краснодарский кр.), ОАО «Дальверзинский ремонтный завод» (п. Дальверзин, Респ. Узбекистан), ЗАО «Оскол Политехремонт Сервис» (г. Старый Оскол, Белгородская обл.), ООО «Севертрансэкскавация» (г. Ухта, Респ. Коми), ЗАО «Южно-Уральская промышленная компания» (г. Оренбург).

Материалы диссертационной работы приняты к использованию в учебном процессе Ставропольского ГАУ, Ухтинского ГТУ, Белгородского ГАУ, Калмыцкого ГУ

Вклад автора в решение проблемы. Диссертация написана единолично, при этом автору принадлежат: разработка концепции высокоресурсного ремонта агрегатов навесных гидросистем тракторов, формулирование цели работы, определение задач и направлений теоретических и экспериментальных исследований, обобщение результатов и их интерпретация, написание статей, тезисов докладов и патентов.

Совместными являются результаты, полученные в рамках выполнения госбюджетных НИР и договорных внедренческих работ, проводимых по линии Россельхозакадемии и Министерства образования и науки России, где автор

является руководителем или ответственным исполнителем.

Апробация результатов. Результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на: заседании подкомитета по сельскохозяйственному машиностроению Ассоциации экономического взаимодействия субъектов Российской Федерации «Большая Волга» (г. Кинель, 2002 г.); Всероссийских и Международных научно-технических конференциях, проводимых в МГУ им. Н.П. Огарева (г. Саранск, 2003-2017 гг.), ГОСНИТИ (г. Москва, 2005-2017 гг.), НПФ «Плазмацентр» (г. С.-Петербург, 2004, 2011, 2016 гг.), Амурском ГУ (г. Благовещенск, 2009 г.), Саратовском Салоне изобретений, инноваций и инвестиций (г. Саратов, 2009 г.), Техническом университете Молдовы (г. Кишинев, 2007); годовых отчетных докладах лаборатории № 11 ГОСНИТИ перед отделением МЭСХ Россельхозакадемии (г. Москва, 2004-2005, 2007-2008, 2013 гг.).

Технологии и средства ремонта экспонировались на Всероссийских и Международных выставках и салонах: «День Российского поля» (г. Рязань, 2005 г; г. Саранск, 2006 г.; г. Ростов-на-Дону, 2007 г.), «Архимед» (г. Москва, 2006, 2008, 2010, 2011 гг.), «Золотая осень» (г. Москва, 2006-2013 гг.). За разработку оборудования и технологий ремонта агрегатов отечественной и зарубежной сельскохозяйственной техники, обеспечивающих средний межремонтный ресурс на уровне доремонтного, автор многократно награжден дипломами, золотыми, серебряными и бронзовыми медалями.

Услуги по внедрению на предприятиях технического сервиса новых импортозамещающих, энерго- и ресурсосберегающих технологий ремонта агрегатов сельскохозяйственной техники в 2005, 2006 и 2009 годах отмечены Программой «100 лучших товаров России» в номинации «Услуги производственно-технического назначения».

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 147 научных работах, из них в 2 монографиях, в 27 статьях в изданиях, включенных в «Перечень рецензируемых научных журналов, в которых должны быть

В

ШЙВ

опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук» ВАК Минобрнауки РФ, в 5 статьях в изданиях, входящих в библиографические и реферативные базы Web of Science и Scopus, в 24 патентах РФ на изобретения и полезные модели. Общий объем публикаций составил 223,7 п. л., из них лично соискателю принадлежат 133,1 п. л.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 433 страницах машинописного текста и содержит 142 рисунка, 132 таблицы, список литературы из 284 наименований и 15 приложений.

Автор выражает особую благодарность за совместную научную работу и внедрение разработанных технологий на предприятиях технического сервиса Ионову П.А., Иванову В.И., Мартынову А.В., Ракову Н.В., Чумакову П.В.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ причин потери работоспособности агрегатов навесных гидросистем тракторов

Гидравлическая система - это техническая система, состоящая из устройств, находящихся в непосредственном контакте с рабочей жидкостью. Гидравлические системы современных отечественных и зарубежных тракторов классифицируются на гидросистемы механизма навески, усилителя рулевого управления и системы трансмиссии.

Навесные гидросистемы тракторов широко используются с 1957 года [77] и предназначены для управления навесными, полунавесными и прицепными машинами. Они имеют рассредоточенную конструкцию, в которой насос 1, гидрораспределитель 2 и гидроцилиндр 3 связаны между собой гидролиниями 4 (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 -

Схема раздельно-агрегатной навесной гидросистемы

В настоящее время среди производителей агрегатов, которыми комплектуются навесные гидросистемы, можно выделить устоявшихся лидеров, а также ряд динамично развивающихся компаний. Основным производителем и поставщиком на рынок комплектации и запасных частей является компания «Гидросила ГРУП» (Украина), в состав которой входят 5 производственных предприятий: ПАО «Гидросила» - разработка и производство насосов шестеренных; ЧАО «Гидросила АПМ» - разработка и производство аксиально-поршневых машин и запасных частей к АПМ; ПАО «Гидросила МЗТГ» -разработка и производство гидрораспределителей; ООО «Гидросила ТЕТИС» -разработка и производство гидроцилиндров; ЗАО «Гидросила ЛЕДА» -разработка и производство рукавов высокого давления. В 2011 году компания «Гидросила ГРУП» произвела более 1,06 млн. шестеренных насосов, 142,3 тыс. гидрораспределителей, использующихся преимущественно на

сельскохозяйственной технике, 87,5 тыс. штук гидроцилиндров и 1,5 млн. рукавов высокого давления [78].

Другими заметными производителями гидроагрегатов СНГ являются:

- в сегменте шестеренных насосов: ЗАО «Союзгидравлика» (Россия), ОАО «Житковический моторостроительный завод» (Беларусь), ООО «Асток» (Украина);

- в сегменте гидрораспределителей: ОАО ГМЗ «Агат» (Россия), ОАО «Ковровский электромеханический завод» (Россия), ОАО «Гидроаппарат» (Россия), ОАО Харьковский завод «Стройгидравлика» (Украина), ОАО «Самео-Гомель» (Беларусь);

- в сегменте гидроцилиндров: ОАО «Елецгидроагрегат» (Россия), ОАО «Омскгидропривод» (Россия), ОАО «Зерноградгидроагрегат» (Россия), ЧП «Магистр» (Украина), ООО «Титан 2004» (Украина).

Основными потребителями на рынке комплектации являются тракторные заводы Алтайский, Владимирский, Волгоградский, Кишиневский, Липецкий, Минский, Петербургский, Харьковский, Южный машиностроительный, Омский завод транспортного машиностроения и др. [79]. В конструкциях навесных

гидросистем выпускаемых ими тракторов широко применяются круглые шестеренные гидронасосы, клапанно-золотниковые гидравлические распределители и поршневые гидроцилиндры двухстороннего действия.

В последние годы на рынке гидроагрегатов России и СНГ широко представлены гидрораспределители компании Bosh Rexroth, которыми комплектуется модельный ряд тракторов сельскохозяйственного назначения Белорус 1523, 2022, 2522 ДВ, 3022 ДВ и трактор Кировец 744 Р.

Шестеренные насосы и гидроцилиндры зарубежного производства в навесных гидросистемах тракторов практически не применяются. Исключение составляют заводы John Deer, New Holland, Massey Ferguson и др.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Величко, Сергей Анатольевич, 2017 год

- ■

- о

о

о

-■ о ]

- ■

У,

- - - -

,95

,85 ,75

.55 .35 ,15

.01

о а а>

т

2000

3000

5000

6000

7000

4000 Наработка, ч

б) золотник восстановлен сталью 65Г методом ЭИО с последующим нанесением приработочного покрытия методом ФАБО Рисунок 2.8 - Графики квантиль-квантиль с оцененными параметрами распределения

ресурсов отремонтированных по разным технологиям гидрораспределителей Из рисунка 2.8 видно, что точки либо ложатся на прямую, либо достаточно близко приближаются к ней, отсюда можно утверждать, что распределения Вейбулла с оцененными параметрами (табл. 2.16) вполне адекватно описывают найденные графически точки прогнозируемого ресурса.

Таблица 2.16 - Параметры прогнозируемых функций распределения ресурса отремонтированных по разным технологиям гидравлических распределителей и их средние значения

Исследуемые гидрораспределители Параметры функций распределения

а Ь ^см Кь Т мр, ч

золотник восстановлен сталью 65Г методом ЭИО 2359,1 1,76 724,9 0,89 2824,5

золотник восстановлен сталью 65Г методом ЭИО с последующим нанесением приработочного покрытия методом ФАБО 3496,3 1,99 913,5 0,89 4025,2

Из таблицы 2.16 следует, что средний ресурс гидрораспределителей, отремонтированных по технологии с восстановленными золотниками методом ЭИО, в 1,11 раза ниже, чем у новых агрегатов, а средний ресурс гидрораспределителей, отремонтированных по технологии с восстановленными золотниками методом ЭИО и ФАБО, выше, чем у новых, в 1,27 раза.

Таким образом, основываясь на результатах прогноза, можно утверждать, что задачу обеспечения межремонтного ресурса гидравлических распределителей на уровне доремонтного и выше можно решить за счет нанесения на изношенные пояски золотников электроискрового покрытия из стали 65Г с последующим нанесением приработочного покрытия методом ФАБО.

Прогноз среднего ресурса отремонтированных по новой технологии гидроцилиндров.

На основании результатов исследования суммарной интенсивности изнашивания образцов пар трения I% составлены вариационные ряды значений суммарной износостойкости 8% (см. п. 4.4.3):

- базовых: колодка - серый чугун СЧ21; ролик - сталь 20Ххромированная;

- экспериментальных № 1: колодка - серый чугун СЧ21 с электроискровым покрытием из нихрома; ролик - сталь 20Х + гальванический хром;

- экспериментальных № 2: колодка - серый чугун СЧ21 с электроискровым покрытием из нихрома и меди; ролик - сталь 20Х + гальванический хром.

Тогда интегральные функции закона нормального распределения суммарной износостойкости образцов базовых и экспериментальных пар трения запишем в виде:

- для базовых образцов:

¥(8% ) = 8,5 • 10"7 I ехр

0

- для экспериментальных № 1:

8Э1) = 5,4 • 10I ехр 0

ч—7

(8%— 2,27 • 106 )2 4,2 • 1011

(8%— 2,63 • 106 )2

d8

%;

(2.44)

1,1 • 1012

• ¿8

(2.45)

- для экспериментальных № 2:

Р(еЭ2 ) = 4,6 • 10-7 | ехр

0

7

(е£- 3,2 • 106 )2 1,47 • 1012

Е •

(2.46)

Функция распределения наработки гидроцилиндров в доремонтный период эксплуатации, полученная по результатам контрольных наблюдений за агрегатами по плану [Ыит\ (см. п. 4.6.3 глава 4), имеет вид:

Р (I) = 1 - ехр

I -1436 4962,9

\ 2,96

(2.47)

Математическое ожидание функции (2.47) Т др = 5853,0 ч (см. п. 4.6.3, табл. 4.78 глава 4).

Таким образом, имея интегральные функции распределения (2.44-2.47), графическим способом определены координаты точек прогнозируемых межремонтных ресурсов отремонтированных гидроцилиндров (табл. 2.17). Таблица 2.17 - Координаты точек прогнозируемых межремонтных ресурсов отремонтированных гидроцилиндров

Передняя крышка восстановлена нихромом Передняя крышка восстановлена нихромом и медью

Т ч Тмр^ ' ч Е(ТМр.) Т ч 1мРг' Р(Тмр1) Т ч Тмрг' ч Р(Тмрг) Т ч Тмрг' Р(Тмрг)

1520 0,000309 5900 0,678183 1859 0,00189 7500 0,498680

2190 0,013351 6380 0,772866 2500 0,004576 8500 0,650787

2670 0,04216 7100 0,879968 3500 0,032635 9500 0,780000

3280 0,10991 7630 0,931747 4500 0,097577 10500 0,875960

4000 0,235861 8230 0,967553 5500 0,203185 11500 0,937977

4880 0,437963 8670 0,982543 6500 0,34242 12500 0,958198

Предполагая, что статистические данные распределены по трехпараметрическому закону Вейбулла, параметры закона определены методом максимального правдоподобия с использованием программного пакета ^аИяИеа (рис. 2.9).

2.4 2,2 2.0 1.8 I 1.6

II 1.4

^

1 1-2 а>

I 1.0

а> а.

® 0.8 0.6 0.4 0.2 0,0

а) передняя крышка восстановлена нихромом Параметры: положен =682.59 форма=1 9538 масш.=7103.6

^ о

ж"

О/

О

2000

4000

10000

12000

.99

.95

.85 .75

.55 .35 15

.01 14000

6000 8000 Наработка ч

б) передняя крышка восстановлена нихромом и медью Рисунок 2.9 - Графики квантиль-квантиль с оцененными параметрами распределения ресурсов отремонтированных по разным технологиям гидроцилиндров

Из рисунка 2.9 видно, что точки либо ложатся на прямую, либо достаточно близко приближаются к ней, отсюда можно утверждать, что распределения

Вейбулла с оцененными параметрами вполне адекватно описывают найденные графически точки прогнозируемого ресурса.

В таблице 2.18 представлены параметры функций распределения наработок до отказа отремонтированных по разным технологиям гидроцилиндров и их средние значения.

Таблица 2.18 - Параметры прогнозируемых функций распределения ресурса отремонтированных по разным технологиям гидроцилиндров и их средние значения

Исследуемые гидроцилиндры Параметры функций распределения

а b ^см Kb T мр, ч

с восстановленными передними крышками нихромом 5256 2,1 549,5 0,89 5227,3

с восстановленными передними крышками нихромом и медью 7103,6 1,95 682,6 0,89 7004,8

Из таблицы 2.18 следует, что средний ресурс гидроцилиндров, отремонтированных по технологии с восстановленными передними крышками нихромом, в 1,12 раз ниже, чем у новых агрегатов, а средний ресурс гидроцилиндров, отремонтированных по технологии с восстановленными передними крышками нихромом и медью, выше, чем у новых, в 1,2 раза.

Таким образом, основываясь на результатах прогноза, можно утверждать, что выбранное сочетание металлопокрытия - нихром + медь - для восстановления изношенной поверхности передней крышки гидроцилиндра ресурсоопределяющего сопряжения «шток - передняя крышка» позволяет решить задачу обеспечения межремонтного ресурса гидроцилиндров на уровне доремонтного и выше.

2.4 Технологические аспекты формирования электроискровых покрытий для восстановления и упрочнения рабочих поверхностей деталей

2.4.1 Механизм процесса электроискровой обработки с применением генераторов импульсного тока с контактным началом разряда

Восстановление изношенных поверхностей деталей при ручной

электроискровой обработке проводится, в основном, с использованием резистивно-емкостных (ЯС) зависимых релаксационных генераторов, в которых электрические разряды образуются за счет энергии, накапливаемой в конденсаторах. В данных типах генераторов управление их работой увязано с работой коммутирующего устройства.

Механизм переноса материала анода на поверхность детали - катод -условно можно разделить на две фазы: «контактную», которая проходит в период протекания тока через контактные площадки, и «дуговую», проходящую в период плазменного промежутка.

Токопроводящий электрод - анод - подводится к поверхности детали с определенной силой инерции и прижимается оператором. Происходит сближение шероховатых поверхностей на некоторую величину 1сб, мкм [9]:

1

1сб « 3,4Я

л£1,2

{ Л

Рс_ К Рг У

3

(2.48)

где Яа^ 2 - сумма средних арифметических отклонений профилей двух

шероховатых поверхностей, мкм.

л

Число пятен фактического контакта пг, шт., их среднюю площадь ААг, мкм и среднее расстояние между ними Бг, мкм, для двух шероховатых поверхностей можно определить по формулам [9 ]:

3,1 • А

пг =

г \0,66 Рс

21 • г„„ • Я

пр ЯаХ1,2 V рг У

АА = 6 93 • г • Я

¿-т.г I Пр

г \0,33

Рс_

V Рг У

= 0,57 • (21 • гПр • Яа£12)

0,5

г \

Ег. I Рс У

0,33

(2.49)

(2.50)

(2.51)

Для ЯС генераторов длительность единичного искрового разряда конденсатора через контактную зону определяется по формуле:

ги = С ■ Я ■ Ьп—-—, (2.52)

и - - -р

где С - емкость разрядного контура, мкФ; Я - значение сопротивления разрядного контура, Ом; — - напряжение на обкладках конденсаторов, В; — р -

напряжение пробоя условного межэлектродного зазора, В. Сопротивление зоны разрядного контура:

Я = Яа + Як + Яа-к, (2.53)

где Яа - сопротивление анода, Ом; сопротивление катода - Як, Ом; сопротивление зоны контакта анода и катода - Я а _к, Ом.

Под действием проходящего по мостикам связи импульса тока материалы контактных зон нагреваются до температуры плавления за время, величина которого может быть определена по формуле [217]:

3 п2 гр 2

*пл = * ■4 ■ 2 , (2.54)

4 ■ х ■ Чэ

где tuл - время до температуры плавления, с; чэ - плотность потока энергии,

Вт/м2; X - коэффициент теплопроводности, Вт ; х - коэффициент

м ■ К

температуропроводности, м2/с.

Для мгновенного точечного источника тепла температура на поверхности определяется [47]:

Я 2

Тпь(Я!) = Я ■ е , (2.55)

Я__* 4

СР( 4*Xtпл )

где Я - количество теплоты, аккумулированное в источнике, Дж; с -

3 2 2 2

теплоемкость, Дж/кг; р - плотность вещества, кг/м ; Я = д/ х + у + 2 -

расстояние до рассматриваемой точки от начала координат, где была введена теплота.

Представленные Б.Р. Золотых [47] результаты теплового расчета показывают, что в период протекания тока через контактные площадки до

температуры кипения и выше нагревается не более 25 % всего объема металла. Для остальных точек этого объема металла температура лежит в пределах между точками кипения и плавления.

Согласно современным теориям, мостиковый перенос является следствием смещения наиболее нагретой точки, обычно в направлении анода. Наличие такого смещения экспериментально доказано в работах [218-219]. Установлено, что перенос материала направлен в сторону того электрода, который находится дальше от наиболее нагретой точки, обычно в сторону катода.

По мере увеличения плотности тока выше критического значения, анод отбрасывается от поверхности катода под действием газодинамических сил, возникающих от взрывного оплавления мостиков связи в результате действия тепла Джоуля-Ленца. Вследствие этого, между электродами образуется зазор, наполненный плазмой, действующий короткий промежуток времени, величина которого зависит от скорости коммутации цепи, мощности разряда и теплофизических свойств веществ. В этот короткий промежуток времени действует поверхностный источник тепла, нагревающий микрообъемы металла до 3 0

(5...10)х 10 С, что превышает температуру плавления и кипения всех известных материалов.

Рассмотрим без особой строгости образование тока эмиссии. Если через площадь А$, равную одному квадратному сантиметру, находящуюся на

расстоянии х от катода, за время равное одной секунде, пролетает п электронов, каждый из которых на пути в один сантиметр создает а1 новых электронов и столько же положительных ионов (а1 - коэффициент ионизации), то в слое толщиной dх на один квадратный сантиметр его площади за одну секунду будет создаваться пщйх новых электронов, которые и составят приращение величины п на длине dх. Таким образом [220]

йп = пщбх, (2.56)

где а1 - коэффициент ионизации, см-1:

_UtP

4 = p • e ^ (2.57)

Aq

где p - давление газовый среды, мм рт. ст.; А0 - длина свободного пробега электрона при давлении 1 мм рт. ст., м; Ui - ионизационный потенциал, В; Е -напряженность электрического поля, В/см.

После решения дифференцированного уравнения (2.56), получим:

n = n0eaiX. (2.58)

У анода, находящегося на расстоянии l от катода (х=1), число электронов, приходящихся на один квадратный сантиметр поверхности:

ni = n0eail. (2.59)

Количество положительных ионов, ежесекундно достигающих катода в сильных электрических полях (не учитывая процесс рекомбинации), лишь на nq меньше количества электронов, достигших за это время анода. Число положительных ионов m на расстоянии x от катода:

m = nQ (eail - eaiX ). (2.60)

Встречное движение электронов и положительных ионов в электрическом поле образует электрический ток, плотность которого:

J = (m + n) ■ q, (2.61)

где q - величина заряда электрона (иона). А так как в любом сечении

(m + n) = n0eaiX + n0 (eai - eaiX) = n0eail = const, (2.62)

то и плотность тока

J = n0eailq. (2.63)

В данных рассуждениях не учтено то, что под действием бомбардировки катода положительными ионами возникает дополнительная эмиссия электронов. Действительно, каждый положительный ион на бесконечно малом пути dx ионизирует fidx молекул, где в - коэффициент ионизации - обозначает число ионизаций, приходящихся на один сантиметр пути иона. Коэффициент ионизации

положительных ионов в << а, в связи с этим можно считать, что ионизация

молекул газа происходит при столкновении их с электронами. Бомбардировка катода положительными ионами имеет важное значение. Каждый покинувший

катод электрон на расстоянии между электродами I ионизирует еа1 — 1 молекул, образуя при этом такое же количество положительных ионов. Если каждый удар положительного иона в катод вырывает из него у новых электронов, то удар

еаг1 — 1 положительных ионов вырвет из катода у(ва1 — 1) новых электронов, которые на пути к аноду, в свою очередь, создадут у(еа — 1) • (еа — 1) = у(еа — 1 )2 новых положительных; последние, ударяясь о катод, вырвут из него еще

у • у(еа'1 — 1 / = у2(еа>1 — 1 / (2.64)

новых положительных ионов и т. д.

Таким образом, общее количество электронов, попадающих на анод в результате вылета с катода первоначально одного электрона, представляет собой

сумму членов геометрической прогрессии, первый член которой равен еа'1, а

а I

знаменатель у(е 1 — 1). По формуле суммы членов бесконечно убывающей прогрессии можно определить, что каждый вылетевший с катода электрон у

поверхности анода превращается в результате ионизации в

еах

1 — у(еа1х — 1)

электронов. В соответствии с этим выражение плотности тока получает вид:

еа11

•1 = п0 Я-—1-. (2.65)

1 — у(еа1{ — 1)

Таким образом, на пути от катода к аноду число электронов непрерывно возрастает, следовательно, возрастает число положительных ионов, создается лавинообразный процесс, что усиливает ионизацию канала и увеличивает его проводимость. Благодаря этому и возникает плазменный канал, в который окончательно сбрасывается энергия накопительного конденсатора.

Достигнув поверхности нагретого анода, пучок электронов тормозится и, выделив часть энергии, проникает на некоторую глубину решетки называемую пробегом электронов. Потеря энергии на единицу пробега пучка электронов максимальна на расстоянии (0,8... 0,9)-Хэ.

Энергия разряда и торможения электронов локально разрушает, разогревает, расплавляет и частично испаряет материал электрода. Частицы разрушенного материала, расплавленная капля и сублимированный материал, сжатый магнитным полем, выбрасываются в сторону поверхности детали через плазменный промежуток, где дополнительно разогреваются, входят в химическое взаимодействие с элементами плазмы и частично оседают на поверхности детали, а частично выбрасываются в окружающую среду.

Ударившиеся с большой скоростью о поверхность детали разогретые частицы материала свариваются и перемешиваются с материалом детали и между собой. При этом происходят как процессы диффузии, так и химические реакции между частицами внесенного материала с материалом приповерхностных слоев детали. Так как отвод тепла с поверхности детали происходит со скоростью более 1000 0С/с, то имеет место скоростная закалка материала с жидкого состояния.

Если период короткого замыкания электродов больше длительности импульса тока, то анод возвращается после «отскока» к обрабатываемой поверхности катода, проковывая при этом образующиеся микрообъемы.

Принципиальным отличием контактной и дуговой фаз механизма переноса материала анода на поверхность катода является количество проходящего электричества. Время задержки анода на поверхности катода определяет количество энергии, проходящее в контактной фазе разряда.

Исследуя физические процессы, протекающие на электродах при единичных искровых разрядах, Левченко А.А. [221] установил, что при униполярном единичном импульсе на анодах из монокристаллов наблюдается один и тот же характер поражения поверхности - оплавление. Единичный след от пучка электронов имеет форму правильной окружности, практически независимо от кристаллографической ориентировки исследуемой плоскости монокристалла.

Поверхность лунки гладкая, вогнутая, а ее размер зависит от параметров разряда и свойств металла.

Картина электроискрового поражения катода имеет отличный характер. Независимо от природы материала на всех электрических режимах на катоде возникают резкие нарушения поверхности, сходные с механическим разрушением, а лунки представляют собой достаточно четко очерченные формы. Из микрокартины разрушения следует, что выделение энергии на поверхности катода происходит с большой интенсивностью и более локализовано, чем на аноде. В области попадания искры, благодаря локальному разогреву, возникает мгновенный импульс давления, величина которого резко спадает со временем. Наступающее за этим быстрое охлаждение приводит к образованию встречной ударной волны, что приводит к микровзрыву. Эрозия на катоде имеет много общего с катодным распылением, только протекает более интенсивно.

На аноде область, пораженная отдельным каналом искры, обычно значительно больше, чем на катоде. Поэтому можно предполагать, что на аноде давление падает со временем значительно медленнее, чем на катоде. Тогда на первый план выдвигается явление плавления, т. е. свойство теплопроводности материала анода. Так как компоненты тензора теплопроводности имеют аксиально-симметричный вид относительно нормалей поверхностей, то форма лунки на аноде должна быть круглой.

Следовательно, воздействие электрической искры на анод состоит в основном в плавлении и испарении материала, а на катод - как микровзрыв, сопровождаемый механическим повреждением, что подтверждает предположение о преобладающем влиянии на эрозию электродов фазы дугового разряда.

Основываясь на данной гипотезе, с целью повышения толщины и качества электроискровой обработки, совместно с лабораторией № 11 ГОСНИТИ и НПФ «Вестрон» разработан новый тип генераторов, разрядный импульс которых формируется в два этапа. После короткого замыкания с некоторой задержкой по времени разряжается накопительный конденсатор вспомогательного разрядного контура ¿и = (10...400) мкс, с амплитудой тока, достаточной для отскока. После

этого разряжается главный накопительный конденсатор и основной импульс тока проходит в режиме, когда электрическая связь между электродами осуществляется через плазменный промежуток. Тогда эрозия анода достигает своей максимальной величины и сопровождается наибольшим переносом порции разрушенного материала на обрабатываемую поверхность и диффузией в приповерхностные области.

Для рассмотренного механизма электроискровой обработки, при прочих равных условиях, существует оптимальная энергия и длительность импульса, при которых достигается максимальная эрозия анода.

2.4.2 Особенности формирования электроискровых покрытий при механизированной обработке стержневым вращающимся электродом

Для реализации процесса механизированной электроискровой обработки разработаны независимые генераторы импульсов тока, в которых силовые коммутационные зарядные и разрядные элементы управляются поочередно импульсами задающего блока управления. Импульс на открытие подается со сдвигом от перехода полуволны в нулевой точке. В этот момент открывается зарядный тиристор и происходит заряд конденсатора до величины максимального напряжения сети 220 В (с учетом требований к безопасности эксплуатации электроустановок, напряжение понижается до 100 В за счет использования понижающего трансформатора). При спаде полуволны на разрядный тиристор поступает сигнал на его закрытие.

Разряд конденсатора происходит, если есть контакт электрода и детали, если контакта нет - конденсатор находится в заряженном состоянии. Таким образом, не зависимо от коммутации электродов, блок управления всегда подает сигнал на заряд и разряд конденсатора.

При использовании коммутирующего устройства с вращающимся стержневым электродом на формирование покрытия также оказывает влияние

электромеханическое сглаживание (эффект Аскинази), уменьшающее шероховатость и стабилизирующее толщину покрытия [222].

Промышленность выпускала две модели такого типа генераторов «ЕЫТЯОЫ-17» и «ЕЫТЯОЫ-22Б». Существенным недостатком этих генераторов является их невысокая энергия разряда, максимальное значение которой составляет 1,66 Дж на пятом энергетическом режиме генератора «ЕЫТЯОЫ-22Б». В связи с этим целесообразно рассмотреть энергетическое обеспечение образования канала сквозной проводимости искровых разрядов генератора «ЕЫТЯОЫ-22Б».

Энергия, запасаемая в рабочем конденсаторе и обеспечивающая образование канала сквозной проводимости и процесс массопереноса через механизм взрыва микронеровностей при скользящем контакте электродов, определяется по формуле:

Е(Х) = Ев + Ер (X) + ЕрК(^, (2.66)

где Ев - энергия, затрачиваемая на нагрев контактирующих микронеровностей с последующим взрывом, Дж; Ер (X) - энергия, затрачиваемая на нагрев

локального объема электродов в месте физического контакта с обеспечением формирования мостика оплавления, Дж; Ерк(Х) - энергия, затрачиваемая на

Джоулево-Ленцевое тепловыделение в разрядном контуре, Дж.

Энергия, затрачиваемая на нагрев контактирующих микронеровностей с последующим взрывом, определяется по формуле [53]:

2 ^

Ев = с • у -ЛТ • Я

п • Вэф 4

(2.67)

где с - удельная теплоемкость материала электрода, Дж/кг; у - удельная

-5

плотность материала электрода, кг/м ; ЛТ - разность температур на поверхности в момент времени протекания тока до взрыва микронеровностей, ЛТ = Тпл - ,

где Тз, Тпл - температуры начальная и плавления материала электрода, К; Я2 -

высота микронеровностей поверхности электрода, м; Оэф - эффективный

диаметр контактирующего локального участка, м.

Эффективный диаметр контактирующего локального участка определяется,

как:

®эф = ®эл /пг, (2.68)

где Оэл - диаметр электрода анода, м.

При рс < НВ/3, рг = Ии; при рс > НВ/3, рг = рс -0,4(ИМ3/рс)°'5.

Проверочные расчеты выполнены для материалов образцов катода из сталей 20Х и 18ХГТ, из которых изготавливаются золотники гидрораспределителей и цапфы насосов, и электрода-анода диаметром 3,8 мм из сталей с содержанием углерода: 0,1 % - сварочная проволока СВ08; 0,2 % - сталь 20; 0,65 % - сталь 65Г; 1,0 % - сталь У10А.

Для вышеуказанных стальных материалов анода и катода в расчетах приняты следующие значения величин, входящих в уравнение (2.67) [223]: с=450 Дж/кг; ^=7800 кг/м3; Тпл -7д=1550 К; пг = 4шт.; Бэф =9,5-10-4 м. Шероховатость

торцовой поверхности электрода - анода - Я2 =5,6-10-5 м; образца - катода -Яа=1610-8 м.

Тогда по формуле (2.67) Ев анода - 0,216 Дж, а Ев катода - 0,0006 Дж. Суммарная энергия, затрачиваемая на нагрев контактирующих микронеровностей анода и катода, Ев = 0,217 Дж.

Для определения энергии, затрачиваемой на нагрев локального объема электродов в месте физического контакта с обеспечением формирования мостика оплавления Ep(t), воспользуемся следующей формулой [53]:

Ер(I) = дэ -1 - Б, (2.69)

где - количество тепла, аккумулированное точечным источником (Дж), величина которого определяется из формулы приращения температуры на глубине х проводника за время t = ^ - to, где ^ меньше времени разряда

Л

конденсатора; Б - площадь фактического контакта, м .

Площадь фактического контакта принимаем:

пЕэф 2

5 = ^ . (2.70)

Эффективную теплоту нагрева, приходящуюся на единицу фактически контактирующей площади дэ, выразим из формулы приращения температуры за

время I, при х ^ 0 (второй множитель уравнения 2.71 равен 1):

х 2

AT = T^ (x,tx) - То(x,to) =-• e4at-b2t2 (2.71)

су( 4nat )v'5

и подставим в уравнение (2.69). Тогда:

Ep(t) = 2SAT(nXeyt)0'5, (2.72)

где AT - разность температур на поверхности в момент t, t - время протекания тока до взрыва микронеровностей (10- 6 < te3p < 3 • 10-5 с [53]).

Для исследуемых материалов анода и катода приняты следующие значения

-5

величин, входящих в уравнение (2.72): с=450 Дж/кг; ^=7800 кг/м ; AT=1550 K; S =7,1 •Ю"7 м; X =54 Вт /м^К; t =440"5 с.

Тогда по формуле (2.72) Ep(t) анода - 0,340 Дж, и катода - 0,340 Дж.

Суммарная энергия, затрачиваемая на нагрев локального объема электродов анода и катода в месте физического контакта с обеспечением формирования мостика оплавления, Ep(t) = 0,680 Дж.

Затраты энергии на Джоулево - Ленцевое тепловыделение в разрядном контуре определяем [53]:

2

t1 i Uv Rpt1 о Rt i

E (t) = j 1р2(t) • Rkdt = |exp2 —^ • sin2 cotdt, (2.73)

р o m2r2 n L

где 1р - средний ток в разрядном контуре, А; ик - напряжение заряда рабочей емкости, В; Яр - величина максимального электрического сопротивления контактирующих микронеровностей, Ом; Як - сопротивление электрической

цепи, Ом; Ь - индуктивность формирующего контура, Гн; ю - собственная

-1

угловая частота, с .

Принимая следующие значения, входящие в уравнение (2.73): ик = 96 В; ю

= 3500 с-1; ^ = 8,5-10-5 с ; Ь = 6-10-5 Гн; ^к=6 Ом; ^р=4 Ом, с использованием

программы по численно приближенному интегрированию методом Симпсона на ПЭВМ [224], получим Ерк(^ =0,022 Дж.

Тогда по формуле (2.66) Е(t) =0,919 Дж.

По вышеприведенным расчетам определим емкость накопительных конденсаторов, обеспечивающих энергию для гарантированного формирования канала сквозной проводимости искрового разряда через механизм взрыва микронеровностей по уравнению:

С и2

Ек = Си- > ЕО), (2.74)

где Ек - величина энергии, запасаемая в конденсаторе, Дж; Ск - величина

емкости конденсатора, МкФ; ик - напряжение, до которого производится зарядка

конденсатора, В.

Из формулы (2.74):

С- > ^. (2.75)

и

и к

Принимая Е(t) =0,919 Дж, получим значение емкости конденсатора, ниже

которой не будет происходить образования канала сквозной проводимости искровых разрядов. Таким образом, емкость конденсатора должна быть не менее Ск > 200 мкФ. Согласно паспортным данным независимого генератора искровых разрядов установки «ЕЬ1ТКОЫ-22Б», емкость используемых конденсаторов составляет на 1, 2 и 3 энергетических режимах 60 мкФ, а на 4 и 5 режимах 360 мкФ. Следовательно, условие (2.75) выполняется только на 4 и 5 режимах.

Все последующие экспериментальные исследования механизированного процесса ЭИО выполнены на пятом энергетическом режиме генератора

импульсного тока установки «ЕЫТКОЫ-22Б» (среднее значение зарядного тока -3,8 А; амплитуда напряжения на накопительном конденсаторе - 96 В; емкость накопительных конденсаторов - 360 мкФ).

Для обеспечения равномерной толщины и сплошности покрытия при механизированной ЭИО торец электрода должен быть в контакте с каждым локальным участком поверхности детали один раз за один проход. Поэтому возникает задача обеспечения одинакового по времени режима обработки каждого участка поверхности. Для деталей по аналогии с обработкой резанием путь перемещения электрода по поверхности осуществляется по строкам.

Для цилиндрических поверхностей перемещение электрода-анода по строке обеспечивается вращением шпинделя токарно-винторезного станка с закрепленной в нем деталью-катодом. При продольной подаче электрода-катода вдоль оси вращения шпинделя формируется развертка строки, т. е. после каждого оборота шпинделя торец анода попадает на новую строку (рис. 2.10).

При искровом разряде каждый импульс генератора на поверхности детали формирует локальный массоперенос с образованием разрядной лунки. Задавая скорость вращения шпинделя и продольную подачу суппорта, управляют расстоянием между центрами лунок - шагом разрядов по строке и по оси детали. Для получения сплошных покрытий каждая последующая лунка должна перекрывать предыдущую. Коэффициент перекрытия лунок есть отношение шага разрядов к диаметру электрода-анода:

Рисунок 2.10 - Развертка формирования ИПС на поверхности детали

5 р

К пер = , (2.76)

й э

где К пер - коэффициент перекрытия, 5р - шаг искровых разрядов, м, йэ -

диаметр электрода-анода, м.

В работе Н. И. Лазаренко [225], исходя из механизма образования покрытий в виде выступающих гребней и впадин, показано, что для получения равномерного слоя необходимо перемещение анода не более чем на 1/4 диаметра лунки между разрядами. Тогда каждый последующий разряд будет протекать через наиболее выступающую часть поверхности катода - валик, гребень или край лунки, образованную предыдущим разрядом. В результате этого часть металла с края лунки переместится к ее центру, образуется новая лунка, центр которой смещен относительно центра предыдущей лунки и т. д. На катоде одновременно с образованием слоя металла, перенесенного с анода, будет происходить перемещение зон расплавленного материала обоих электродов, их перемешивание.

С целью обеспечения регулярности расположения лунок, высокой сплошности и меньшей шероховатости покрытий, образуемых при ЭИО, необходимо, чтобы коэффициент перекрытия был неизменным не только по строке, в направлении вращения детали, но и поперек строк, в направлении продольной подачи.

Для каждой заданной частоты вращения детали необходимо установить скорость продольной подачи, которая определяет общее и удельное время обработки всей цилиндрической поверхности.

Связь кинематических параметров процесса механизированной ЭИО вращающимся стержневым электродом представлена нижеприведенными зависимостями.

Площадь обрабатываемой поверхности 5эиО, м2:

5ЭИО = п • йд • 1к, (2 77)

где йд - диаметр детали, м; 1к - длина обрабатываемой поверхности, м.

Из формулы (2.76) шаг разрядов по строке:

^р = Лэ • КПЕР. (2.78)

При условии равномерного нанесения покрытия коэффициент перекрытия лунок в строке должен быть равен коэффициенту перекрытия лунок между

строками (рис. 2.10). Тогда шаг по строкам Бстр , м:

Бстр = = Лэ ' КПЕР. (2 79)

Время между разрядами *р, мин:

tр = (2.80) 1 и

где 1и - частота следования искровых разрядов, Гц. Количество разрядов в строке «р, шт.:

п ■ п ■ Л т

'р "

пр = =-. (2.81)

Бр Лэ ■ КПЕР

Время прохождения одной строки *стр, мин:

п ■

*стр = *р ■ «р = „ ^ . (2.82)

аэ ■ КПЕР ■1 и

Линейная скорость перемещения по строке при вращении детали vвр, м/мин:

п ■ Лд

^р =—-= Лэ ■ КПЕР ■ 1и. (2.83)

*стр

Количество строк пстр, шт.:

1к __1

Бстр Лэ ■КПЕР

Общее время электроискровой обработки *эио , мин, - время прохождения длины 1к при продольной подаче:

кк

«стр =7— = „ . (2.84)

^ЭИО ^стр • пстр

п • й

д

• йэ2 • КПЕР2

(2.85)

Удельное время легирования Iуд, мин, - время электроискровой обработки единичной площади:

_ *ЭИО _ 1 _

уд

5ЭИО ^ • йэ 2 • К пер 2 УВр2

(2.86)

Тогда, из (2.86) выразим линейную скорость вращения детали:

^вр =

"и

-уд

(2.87)

Скорость продольной подачи Упр, м/мин:

и

и

1

(2.88)

^ЭИО 1 уд •5ЭИО п •йд •1 уд Зависимости (2.87) и (2.88) позволяют установить значение линейной скорости вращения детали и скорости продольной подачи в зависимости от удельного времени легирования. При изменении частоты следования искровых разрядов в Гц, удельного времени легирования в мин/мм2, диаметра цилиндрической поверхности детали в мм эти формулы, определяющие режим обработки с размерностью мм/мин, имеют следующий вид:

100

V

пр п • й • I

" ид 'уд

Vвр = 10

60 • /и

I

(2.89)

(2.90)

уд

Вместо линейной скорости вращения детали можно использовать частоту вращения детали Пд, об/мин:

Увр 1П пд = —— = 10

пЛт

\

60 ■ 1

и