WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

СЕНИН АНДРЕЙ ПЕТРОВИЧ

технология ремонта РЕГУЛИРУЕМЫХ

АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВЫХ ГИДРОМАШИН восстановлением

ресурсоЛИМИТИРУЮЩИХ соединений

Специальность 05.20.03 Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саранск 2012

Работа выполнена на кафедре технического сервиса машин  Института механики и энергетики, в лаборатории по ПНР-1 «Технологии и средства создания покрытий с заданными служебными свойствами» ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва» и в лаборатории №11 ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии.

Научный руководитель  –  заслуженный деятель науки и техники РФ

доктор технических наук профессор

Бурумкулов Фархад Хикматович

Официальные оппоненты – доктор технических наук профессор

  Мачнев Валентин Андреевич

ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная

сельскохозяйственная академия»,

кандидат технических наук доцент

  Кузнецов Вячеслав Викторович

ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный

университет им. Н. П. Огарёва»

Ведущая организация  – ФГБОУ ВПО «Ульяновская государственная

  сельскохозяйственная академия»

Защита состоится «21» декабря 2012 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.06 при ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева» по адресу: 430904, РМ, г. Саранск, п. Ялга, ул. Российская, д. 5.

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

Автореферат разослан «16» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С. А. Величко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В гидравлических системах современных отечественных и зарубежных сельскохозяйственных и дорожно-строительных машин для передачи крутящего момента от двигателя внутреннего сгорания к исполнительным механизмам применяются объемные гидроприводы, составной частью которых являются регулируемые аксиально-поршневые гидромашины, например, серии 313.3.

Анализ работоспособности и долговечности регулируемых аксиально-поршневых гидромашин показал, что доля их отказов в доремонтный период эксплуатации составляет около 20 % от общего числа отказов машин.

По ТУ 22-1.020-100 ОАО «Пневмостроймашина» наработка регулируемых аксиально-поршневых гидромашин до отказа составляет 1 000 часов работы при номинальных режимах, а 90 % ресурс агрегата должен соответствовать одному из условий: 3 500 часов при номинальном режиме работы или 6 000 часов при рабочем давлении 16 МПа, а для регуляторов - 3,3105 циклов регулирования рабочего объема.

По данным научно-технической литературы, средний межремонтный ресурс отремонтированных регулируемых аксиально-поршневых гидромашин серии 313.3 в условиях реальной эксплуатации не превышает 60 % от ресурса нового изделия.  В связи с этим разработка путей повышения межремонтной долговечности регулируемых аксиально-поршневых гидромашин и новых технологий для их реализации является актуальной задачей.

Цель исследования – разработка технологии ремонта регулируемых аксиально-поршневых гидромашин, обеспечивающей техническое состояние и межремонтный ресурс агрегата на уровне нового.

Объект исследования – механизм потери работоспособности регулируемых аксиально-поршневых гидромашин, процессы и технологии, определяющие их долговечность.

Предмет исследования – новые, бывшие в эксплуатации и отремонтированные  регулируемые аксиально-поршневые насосы серии 313.3.

На защиту выносятся:

– закономерности износа рабочих поверхностей деталей ресурсолимитирующих соединений регулируемых аксиально-поршневых насосов;

– математическая модель связи объемного коэффициента полезного действия (КПД) регулируемого аксиально-поршневого насоса с факторами, влияющими на утечку рабочей жидкости;

– результаты анализа причин ресурсных отказов регулируемых аксиально-поршневых насосов и установленные предельные и допустимые значения износов деталей и зазоров в соединениях;

– значения контактных напряжений в ресурсолимитирующих соединениях регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3;

– математические модели связи микротвердости и толщины покрытия с энергетическими и кинематическими параметрами электроискровой обработки;

– результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств покрытий, полученных электроискровой обработкой (ЭИО);

– технологический процесс ремонта регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3.112, обеспечивающий техническое состояние и межремонтный ресурс агрегата на уровне нового.

Научная новизна:

– установлены причины ресурсных отказов регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3;

– выявлены закономерности распределения износов рабочих поверхностей деталей и зазоров в соединениях регулируемых аксиально-поршневых насосов;

– получена математическая модель связи объемного КПД с износами деталей и зазорами в соединениях регулируемого аксиально-поршневого насоса серии 313.3;

– многофакторным экстремальным экспериментом установлены предельные и допустимые значения износов деталей и зазоров в ресурсолимитирующих соединениях «блок цилиндров – распределитель», «блок цилиндров – поршень», «поршень регулятора – крышка»;

– математическим моделированием установлены значения контактных напряжений в ресурсолимитирующих соединениях регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3 в условиях, имитирующих реальную эксплуатацию;

– определены физико-механические свойства восстановленных и упрочненных методом ЭИО рабочих поверхностей деталей ресурсолимитирующих соединений;

– разработан технологический процесс ремонта регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3.112, обеспечивающий техническое состояние и межремонтный ресурс агрегата на уровне нового.

Программа исследований имела следующую последовательность: получение экспериментального факта; разработка математической модели падения объемного КПД регулируемого аксиально-поршневого насоса методами однофакторного и многофакторного экспериментов; восстановление и упрочнение рабочих поверхностей деталей методом ЭИО; моделирование контактных нагрузок в ресурсолимитирующих соединениях агрегата; оптимизация технологических режимов электроискрового упрочнения и наплавки; исследование физико-механических и микрогеометрических свойств электроискровых покрытий. Достоверность полученных результатов оценивали стендовыми и эксплуатационными испытаниями. Обработка результатов исследований проведена с использованием методов математической статистики, с помощью современных вычислительных средств и пакета прикладных программ «NI LabVIEW 7.1», «LabVIEW IMAQ Vision», «ANSYS», «Statistica 8.0» и «Excel 2010».

Практическая значимость исследований заключается в разработке и внедрении в производство технологического процесса ремонта регулируемых аксиально-поршневых насосов, обеспечивающего техническое состояние и межремонтный ресурс агрегата на уровне нового.

Экономический эффект при программе ремонта 100 регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3.112 в год по разработанной технологии составляет 1 901 430 рублей.

Реализация результатов исследования. Разработанный новый технологический процесс ремонта регулируемых аксиально-поршневых насосов внедрен в малом инновационном предприятии ООО «Агросервис» Института механики и энергетики ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарёва», (г. Саранск, 2011 г.) и на ОАО «Грачёвский завод Гидроагрегат» Ставропольского края (2012 г.).

Апробация. Основные положения и результаты работы были доложены на международных научно-технических конференциях «Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК» (г. Саранск, ИМЭ, 2011 г.) и «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы» (г. Саранск, ИМЭ, 2012 г.), на Российской конференции «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы» (г. Саранск, ИМЭ, 2010 г.), на Огарёвских чтениях Мордовского государственного университета (г. Саранск, 2010–2011 гг.) и на расширенном заседании кафедры технического сервиса машин ФГБОУ ВПО «МГУ им Н. П. Огарёва».

Технология ремонта регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3 в составе других электроискровых технологий удостоена наград международного Салона «Архимед» (г. Москва, ВВЦ, 2009 г.), Российской агропромышленной выставки «Золотая Осень» (г. Москва, 2009–2011 гг.), Международной агротехнической выставки «Агросалон» (г. Москва, МВЦ «Крокус Экспо», 2009 г.), отмечена Программой «100 лучших товаров России» и «100 лучших товаров Мордовии».

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 12 работах, в том числе в 3 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, 7 статей в материалах международных конференций, 1 статья в материалах Российской конференции. Получен 1 патент РФ на полезную модель № 74257.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих вводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 242 страницах машинописного текста, включает 73 рисунка и 36 таблиц, список литературы содержит 98 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и обозначен объект исследований.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса и определены задачи исследования. Рассмотрены вопросы работоспособности регулируемых аксиально-поршневых гидромашин, причины их ресурсных отказов; проведен анализ методов и средств оценки технического состояния гидромашин; рассмотрены методы математического моделирования и технологии повышения долговечности агрегатов.

Исследованиям по оценке технического состояния, повышению надежности агрегатов сельскохозяйственной техники, методам восстановления изношенных деталей посвящены работы Ф. Х. Бурумкулова, В. И. Черноиванова, В. П. Лялякина, П. В. Сенина, П. П. Лезина, А. П. Савельева, А. В. Поляченко, А. В. Котина, В. Е.Черкуна,  Р. В. Масалова, В. К. Свешникова, П. А. Ионова, С. А. Величко, В. И. Иванова, Н. В. Ракова, Д. А. Галина, А. В. Столярова и других авторов.

Анализ научно–технической литературы показал, что основными соединениями, влияющими на работоспособность регулируемых аксиально-поршневых гидромашин, являются: «блок цилиндров – распределитель», «блок цилиндров – поршень», соединения регулятора.

Степень влияния износов рабочих поверхностей этих соединений на работоспособность и долговечность регулируемых аксиально-поршневых гидромашин недостаточно изучена, поэтому актуальными задачами являются исследование их влияния на КПД гидромашин и поиск методов повышения их износостойкости.

Известно, что слои металла, образованные электроискровой наплавкой или легированием в газовой среде, имеют мелкодисперсную структуру, размеры кристаллитов которых в несколько раз меньше, чем матричного материала.

Согласно закону Холла – Петча

[МПа],  (1)

где HV – микротвёрдость материала покрытия по Виккерсу; d – размер кристаллитов; H0  и k – постоянные.

Так как при температуре Т/Тпл < 0,4 0,5 (Тпл – температура плавления) HV связана с пределом текучести материала т соотношением HV/т 3, то поиск оптимальных режимов электроискровой обработки, обеспечивающих восстановление с упрочнением изнашиваемых деталей, является важной научной задачей.

Толщина нанесенного слоя (h) и его микротвердость (Нμ) при ЭИО зависят от многих переменных, которые носят как качественный, так и количественный характер. При обработке единичной поверхности условно функции h и Нμ можно представить в следующем виде:

h; Нμ = f ( W, и, m, dэл, Vд, Vэл, Mд, Mэл ,tоб ...), (2)

где  W – энергия единичного искрового разряда, Дж;

и – частота подачи искрового разряда, Гц;

m – число проходов электрода;

dэл – диаметр электрода, мм;

Vд, Vэл – соответственно скорости вращения детали и подачи электрода, мм/мин;

Mд, Mэл – соответственно материал детали и электрода;

tоб – время обработки, мин.

Для определения степени влияния каждой переменной на толщину и микротвердость покрытия и выбор рациональных режимов ЭИО необходимо проведение многофакторных активных экспериментов, в которых функция (2) является исходной математической моделью.

Анализ литературных и интернет-источников показал, что для достоверной оценки способов повышения долговечности целесообразно использовать метод численного моделирования методом конечных элементов с использованием системы SolidWorks и ANSYS.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать техническое состояние бывших в эксплуатации регулируемых аксиально-поршневых насосов, дефекты и износы рабочих поверхностей деталей и факторы, влияющие на снижение объемного КПД.

2. Определить предельные и допустимые значения износа деталей и зазоров в ресурсолимитирующих соединениях регулируемых аксиально-поршневых насосов.

3. Установить значения контактных напряжений в ресурсолимитирующих соединениях регулируемых аксиально-поршневых насосов в условиях, имитирующих эксплуатационные.

4. Исследовать влияние энергетических и кинематических параметров ЭИО на микротвердость и толщину покрытия для различных сочетаний материалов детали и электрода.

5. Провести исследования физико-механических свойств рабочих поверхностей деталей ресурсолимитирующих соединений, восстановленных и упрочненных методом ЭИО.

6. Разработать новый технологический процесс ремонта регулируемых аксиально-поршневых насосов восстановлением ресурсолимитирующих соединений с высокой износостойкостью, обеспечивающий технический уровень и средний межремонтный ресурс агрегата на уровне нового.

7. Провести производственную проверку и определить экономическую эффективность предложенных рекомендаций.

Во второй главе рассмотрены теоретические предпосылки к повышению долговечности регулируемых аксиально-поршневых гидромашин. Обоснована степень влияния износов деталей и зазоров в соединениях на работоспособность агрегата. Математическим моделированием установлены контактные напряжения в ресурсолимитирующих соединениях. Предложены пути повышения долговечности регулируемых аксиально-поршневых гидромашин.

По данным основного отечественного производителя аксиально-поршневых гидромашин – ОАО «Пневмостроймашина» за критерий предельного состояния принято снижение объемного КПД агрегата на номинальных режимах работы более чем на 20%.

На рисунке 1 представлена схема утечки жидкости через соединения регулируемого аксиально-поршневого насоса.

Рисунок 1 – Схема утечки жидкости через соединения регулируемого аксиально-поршневого насоса: Qн – фактическая подача насоса; Rн – фактический расход насоса; qку – суммарная утечка жидкости в соединениях качающего узла; qш-в – утечки через зазор в соединении «шатун-вал»; qб-п - утечки через зазор в соединении «блок цилиндров - поршень»; qб-р - утечки через зазор в соединении «блок цилиндров – распределитель»; qк-р - утечки через зазор в соединении «распределитель – крышка»; qрег - утечки через зазоры в соединениях регулятора.

Уравнение баланса основных источников объемной внутренней утечки жидкости через зазоры в соединениях регулируемого аксиально-поршневого насоса можно записать в виде:

q = qку + qрег + q, л/мин, (3)

где qку – суммарная утечка жидкости в соединениях качающего узла (в дренаж), л/мин; qрег – суммарная утечка жидкости в соединениях регулятора, л/мин; q – расход потерь сжатия, л/мин. (при прочих равных условиях допускается принимать его постоянным).

Согласно закону Пуазейля суммарные утечки жидкости через зазоры в соединениях при прочих равных условиях пропорциональны величине зазоров в третьей степени, разности давлений в полости нагнетания и полости всасывания р и обратно пропорциональны вязкости рабочей жидкости .

Тогда качественную оценку суммарной объемной внутренней утечки жидкости в насосе q можно представить в виде:

, л/мин, (4)

где k1–k5 постоянные коэффициенты, определяющие характеристики истечения жидкости, зависящие от формы щели; zб-п – зазор в соединении «блок цилиндров – поршень»; zш-в – зазор в соединении «шатун – вал»; zб-р – зазор в соединении «блок цилиндров – распределитель»; zк-р – зазор в соединении «распределитель – крышка»; zп-к – зазор в соединении «поршень регулятора – крышка».

Для установления закономерностей снижения объемного КПД и определения предельных и допустимых износов деталей и зазоров в ресурсолимитирующих соединениях регулируемого аксиально-поршневого насоса проведен экстремальный эксперимент по плану 23.

Результаты многофакторного эксперимента позволили получить математическую модель связи объемного КПД регулируемого аксиально-поршневого насоса н  с факторами, влияющими на утечку рабочей жидкости:

,                 (5)

где S – площадь износа в соединении «блок цилиндров – распределитель», zб-п – зазор в соединении «блок цилиндров – поршень», zп-к – зазор в соединении «поршень регулятора – крышка».

       Анализ результатов эксперимента показывает, что по степени влияния на объемный КПД факторы расположились следующим образом: площадь износа в соединении «блок цилиндров – распределитель» А1=0,628; зазор в соединении «блок цилиндров – поршень» А2=0,142; зазор в соединении «поршень регулятора – крышка» А3=0,076.

Проверка адекватности математической модели (5) показала, что относительное отклонение расчетного и экспериментального значений для верхнего уровня  = 0,61 %; для нижнего уровня = – 0,52%.

С целью определения предельных и допустимых значений износов деталей и зазоров в ресурсолимитирующих соединениях проводили оптимизацию модели (5) методом крутого восхождения, в результате которого установили, что предельное и допустимое значения объемного КПД агрегата равны:

vн пр = vн·– 0,2vн = 0,95 – 0,20·0,95 = 0,76;

vн доп = (vн пр + vн)/2 = (0,76 + 0,95)/2 = 0,85,

где vн= 0,95 объемный КПД нового агрегата.

Тогда предельное значение площади износа соединения блок «цилиндров - распределитель» S = 0,0724 мм2; предельный зазор в соединении «поршень регулятора – крышка» zп-к = 42 мкм; предельный зазор в соединении «блок цилиндров – поршень» zб-п = 26,6 мкм, а допустимые значения, соответственно S = 0,0508 мм2; zп-к = 37,38 мкм; zб-п = 25,58 мкм.

Минимальная разница между предельными и допустимыми значениями факторов говорит о том, что даже незначительный износ деталей ресурсолимитирующих соединений существенно влияет на работоспособность агрегата. Этот факт имеет важное значение при разработке технологии повышения его долговечности.

Анализ принципа работы регулируемого аксиально-поршневого насоса серии 313.3 и результаты многофакторного эксперимента позволили установить ресурсолимитирующие соединения, оказывающие наибольшее влияние на объемный КПД, доказать влияние на работоспособность агрегата износов деталей и зазоров в соединениях элементов управления. Наиболее «слабым звеном» признано соединение «блок цилиндров – распределитель».

Несущая способность пары трения в первом приближении определяется из формулы

,  (6)

где Рмп – максимальная удельная нагрузка, воспринимаемая парой трения, определяемая по ГОСТ 23.224 – 86; Нμ – микротвёрдость более мягкой поверхности; r – радиус закругления неровностей более твердой поверхности; Rz – средняя высота неровностей более твердой поверхности, определяемая по десяти точкам; τ – прочность на срез адгезионной связи, образующихся мостиков сварки; σ0 – предел текучести деформируемой поверхности; – фактическая (эксплуатационная) нагрузка на пару трения.

Пары трения обладают лучшей работоспособностью, если максимальная удельная нагрузка (несущая способность соединения) больше, чем максимальная длительно действующая эксплуатационная нагрузка на соединение, то есть соблюдается условие Рмп>>.

Определение максимальной длительно действующей эксплуатационной нагрузки на соединение проведено методом численного моделирования с помощью инженерных расчетов в ANSYS (лицензия # 624967). Математической основой, на которой построен вычислительный аппарат, является метод конечных элементов.

В качестве объекта математического моделирования выбраны соединения «блок цилиндров – распределитель», «блок цилиндров – поршень», «поршень регулятора – крышка». Геометрические модели соединений и схемы их нагружения представлены на рисунке 2.

а

б

Рисунок 2 – Геометрические модели и схемы нагружения: а – соединение «блок цилиндров – поршень», б – соединения «блок цилиндров – распределитель», «поршень регулятора – крышка»; А – поверхность приложения момента; Б – сферическая поверхность, контактирующая с распределителем; В – поверхность, контактирующая с поршнем регулятора, р=0,08 Н/мм2 – нагрузка в линии всасывания; Р=20 Н/мм2 – нагрузка в линии нагнетания; Nш = 80 Н – сила действия тарельчатых шайб; Мпр = 356 Н/м – приводной момент.

В результате расчетов получим значения действительных контактных напряжений, соответствующих действующей эксплуатационной нагрузке, возникающей в ресурсолимитирующих соединениях.

Опыт, накопленный ИМЭ МГУ им. Н. П. Огарёва и ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии, показал, что при ремонте агрегатов необходимо создавать такие пары трения, чтобы приработочный износ был минимален, а интенсивность изнашивания Iв восстановленного соединения отвечала условию:

,  (7)

где Епр – приведённый модуль упругости контактирующих материалов, МПа;  пр – приведённый параметр шероховатости материалов; b,ν – параметры кривой опорной поверхности, мкм; Hω, Rω – соответственно максимальная высота и радиус закругления волны; f – коэффициент трения; 0 – предел текучести более мягкого материала, МПа; ty – параметр фрикционной усталости.

В третьей главе представлены программа и методики экспериментальных исследований.

Техническое состояние и работоспособность бывших в эксплуатации и отремонтированных регулируемых аксиально-поршневых гидромашин оценивали на стенде ИГС-01 ИМЭ по методике завода-изготовителя (ТУ 22–1.020–100–95).

Дефектация и микрометражные исследования проводились по разработанным методикам. Детальным микрометражным исследованиям подвергались ресурсолимитирующие соединения регулируемых аксиально-поршневых насосов: «блок цилиндров – распределитель», «блок цилиндров – поршень», «поршень регулятора–крышка».

Оценку параметров топографии и величин износов рабочих поверхностей деталей проводили с использованием измерительной системы «Form Talysurf I120».

Металлографические исследования покрытий проводили на микрошлифах, изготовленных при помощи комплекса «Tegra Force». Микротвердость покрытий образцов оценивалась на приборе «Durascan 20».

Исследование способа технологического воздействия на изношенные рабочие поверхности деталей осуществляли с помощью электроискровой установки «Алиер-31» в ручном и механизированном режимах обработки.

Триботехнические параметры образцов определяли согласно ГОСТ 23.224 – 86 на модернизированной машине трения СМТ-1.

Эксплуатационные испытания проводились на предприятиях АПК Республики Мордовия на технике сельскохозяйственного назначения.

Инженерные расчеты и обработку экспериментальных данных осуществляли на ПК с помощью пакетов прикладных программ «ANSYS», «NI LabVIEW 7.1», «LabVIEW IMAQ Vision», «Statistica 8.0» и «Excel 2010».

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований.

Из поступивших на стендовые испытания 57 бывших в эксплуатации регулируемых насосов серии 313.3 входному контролю подверглись 73,6 % насосов (42 шт.), остальные имели трещины и другие дефекты, не позволяющие провести стендовую проверку.

Испытания показали, что 71,5 % проверенных на стенде насосов не нагнетают номинальное давление (Р=20 МПа), поэтому объемный КПД этих насосов определить не удалось. Из оставшихся 12 насосов 91,6 % не развивают подачу 102,1 л/мин, соответствующую предельному КПД пр = 0,76, и только у одного насоса технические характеристики соответствуют требованиям ТУ 22–1.020–100–95.

Таким образом, оценка технического состояния насосов показала, что годными к дальнейшей эксплуатации (после регулировки) можно признать только 1,7 % регулируемых аксиально-поршневых насосов, остальные 98,3 % считаются неработоспособными и требуют ремонта.

Установлено, что наиболее часто встречающимися дефектами в регулируемых аксиально-поршневых насосах являются износ деталей соединений: «блок цилиндров – распределитель» (в 92 % случаев), «блок цилиндров – поршень» (в 56 %), «поршень регулятора – крышка» (в 33 %).

На основе результатов микрометражных исследований установлена связь между износами деталей, зазорами в соединениях и вероятностями их значений.

Среднее значение максимального износа отверстий крышки регулятора практически равно среднему значению износа поршней регулятора для 25,2. Для меньшего диаметра регулятора ( 16,2) отверстие крышки регулятора изнашивается в 2,31 раза интенсивнее, чем поршень регулятора. По нашему мнению, это связано  с большим рабочим давлением в соединении регулятора 16,2 и перекосом поршня в процессе его работы.

Для соединения «блок цилиндров – поршень» средние значения максимальных износов отверстий блока цилиндров и поршней соизмеримы – 21,96 и 23,81 мкм соответственно. Наблюдается характерная овальность в отверстиях блока цилиндров, направленная по диаметру расположения отверстий. Эти данные согласуются с результатами моделирования контактных напряжений в данном соединении. Овальность возникает в местах передачи поршнями крутящего момента блоку цилиндров.

В качестве параметра, оценивающего величину износа рабочих поверхностей деталей соединения «блок цилиндров – распределитель», приняли площадь износа в том сечении сферической поверхности блока цилиндров или распределителя, где величина износа максимальна. Установлено, что детали данного соединения имеют различную интенсивность изнашивания. Сферическая поверхность блока цилиндров изнашивается в 1,86 раза интенсивнее, чем распределитель.

Экспериментально подтверждено, что наибольшее влияние на объемный КПД насоса оказывают соединения «блок цилиндров – распределитель», «блок цилиндров – поршень», «поршень регулятора – крышка». Эти соединения приняты за факторы полного факторного эксперимента по плану 23.

Многофакторный эксперимент проведен с интервалами факторов, представленных, в таблице 1, нижний уровень которых соответствует средним величинам технологических параметров. Верхний уровень определяли по результатам микрометражных исследований и предварительного однофакторного эксперимента.

Таблица 1 – Исследуемые факторы в действительных и кодированных значениях

Уровень

Факторы процесса

X1 – S, мм2

X2 – zб-п, мкм

X3 – zп-к, мкм

Верхний

0,765

-0,268

196

5,278

106

4,663

Нижний

0,028

-3,576

32,5

3,481

24,5

3,199

Основной

0,3965

-0,925

114,25

4,738

65,25

4,178

Интервал варьирования

0,3685

-0,998

81,75

4,404

40,75

3,707

Кодовое обозначение

X1

lnX1

X2

lnX2

X3

lnX3

В таблице: Х1 – площадь износа в соединении «блок цилиндров – распределитель»,

Х2 – зазор в соединении «блок цилиндров – поршень»,

Х3 – зазор в соединении «поршень регулятора – крышка».

Моделирование напряженно-деформированного состояния в ресурсолимитирующих соединениях нового и отремонтированного регулируемого аксиально-поршневого насоса серии 313.3.112 в условиях, имитирующих номинальные (Рном = 20 МПа, nном = 1 200 об/мин, Мпр = 356 Нм) режимы работы, проводилось с помощью инженерных расчетов в ANSYS.

В результате расчетов получены значения действительных контактных напряжений, соответствующих действующей эксплуатационной нагрузке, возникающей в ресурсолимитирующих соединениях (таблица 2), перемещения и деформации в элементах. Диаграммы напряжений в соединениях представлены на рисунке 3.

Момент исчерпания несущей способности контактной пары определяется сравнением величины эквивалентного напряжения по Мизесу с условным пределом текучести о, начиная с которого при сжатии появляются первые остаточные деформации.

Таблица 2 – Значения контактных напряжений в соединениях нового агрегата, МПа.

Соединение

Исследуемая поверхность

Минимальное

значение

Среднее

значение

Максимальное

значение

«Блок цилиндров – распределитель»

Сферическая поверхность

блока цилиндров

3,14

18,0

26,9

Сферическая поверхность

распределителя

3,74

15,7

23,5

«Блок цилиндров – поршень»

Отверстие блока цилиндров под поршень

7,79

24,3

30,8

Наружная поверхность

поршня

0,55

16,3

24,4

«Поршень регулятора – крышка»

Наружная поверхность

поршня регулятора

0,06

12,2

18,2

Отверстие крышки под

поршень регулятора

0,46

8,1

12,1

В распределителе и блоке цилиндров наибольшим нагрузкам подвержена область со стороны нагнетания, что является причиной часто встречающегося одностороннего износа сферических поверхностей (рис. 3, а,б).

У поршня напряжения возникают на наружной цилиндрической поверхности в основании и внутри на сферической поверхности, контактирующей с шатуном. Наибольшие напряжения в отверстии блока цилиндров возникают в полости нагнетания и имеют волнообразный характер (рис.3,в).

Сравнивая результаты инженерных расчетов с результатами микрометражных исследований, установили, что места наибольших значений напряжений соответствуют местам наибольшего износа поверхностей, что позволяет сделать заключение об адекватности полученных результатов.

Среднее значение действительных напряжений, возникающих в контактной паре упрочненного соединения «блок цилиндров – распределитель», составило 17,2 МПа, что на 4,5 % ниже, чем в новом соединении. Данные значения подтверждают предположение, о том, что в процессе упрочнения происходит перераспределение напряжений по поверхности контактной пары.

Следовательно, для повышения долговечности регулируемого аксиально-поршневого насоса необходимо создать на рабочих поверхностях деталей такие покрытия, чтобы максимальная несущая способность у соединения «блок цилиндров – распределитель» была выше 26,9 МПа, для соединений «блок цилиндров – поршень» – выше 30,8 МПа, «поршень регулятора – крышка» – выше 18,2 МПа.

Для определения связи микротвердости и толщины покрытия с энергетическими и кинематическими параметрами ЭИО и поиска рациональных технологических режимов обработки проведены экстремальные эксперименты по плану 23. За исходную математическую зависимость принималось выражение (2).

а                                                        б

 

в                                                        г

Рисунок 3 – Диаграммы напряжений в соединениях: а – поверхность распределителя; б – поверхность блока цилиндров; в – поверхности отверстия блока цилиндров и поршня;  г – поверхность отверстия крышки.

За параметры оптимизации при ручном электроискровом упрочнении блока цилиндров принималась микротвердость покрытия Нμ, при механизированной электроискровой наплавке поршней – толщина покрытия h. Факторы и диапазоны их варьирования определялись по результатам однофакторного пассивного эксперимента.

По результатам отсеивающего эксперимента для исследований принимались следующие факторы: при электроискровом упрочнении – время упрочнения t, мин, частота подачи искрового разряда и, Гц, энергия искрового разряда W, Дж; при электроискровой наплавке – энергия искрового разряда W, Дж, частота подачи искрового разряда и, Гц, скорость подачи электрода VS, мм/мин. Результаты кодирования значений уровней варьирования факторов, определяющих микротвердость и толщину электроискрового покрытия, представлены в таблицах 3, 4.

Таблица 3 – Исследуемые факторы в действительных и кодированных значениях при электроискровом упрочнении

Уровень

Факторы процесса

Х1 – t, мин

Х2 –  и, Гц

Х3 – W, Дж

Верхний

6

1,792

400

5,991

0,9

– 0,105

Нижний

2

0,693

100

4,605

0,22

– 1,514

Основной

4

1,386

250

5,521

0,56

– 0,58

Интервал варьирования

2

0,693

150

5,011

0,34

– 1,079

Кодовое обозначение

X1

lnX1

X2

lnX2

X3

lnX3

Примечание: В качестве материала образца и электрода использовался материал блока цилиндров латунь ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1.

Таблица 4 – Исследуемые факторы в действительных и кодированных значениях при электроискровой наплавке

Уровень

Факторы процесса

Х1 – W, Дж

Х2 – и, Гц

Х3 – VS, мм/мин

Верхний

4,3

1,46

400

5,99

1,15

0,14

Нижний

0,9

– 0,1

100

4,60

0,25

– 1,39

Основной

2,6

0,95

250

5,52

0,7

– 0,35

Интервал варьирования

1,7

0,53

150

5,01

0,45

– 0,79

Кодовое обозначение

X1

lnX1

X2

lnX2

X3

lnX3

Примечание: Материал образца – сталь 38Х3МФА, материал электрода – сталь 65Г.

По результатам экстремальных экспериментов получены математические модели, адекватно описывающие связи микротвердости и толщины покрытия с энергетическими и кинематическими параметрами ЭИО для заданных сочетанной материалов детали и электрода:

,  (8)

. (9)

Анализ результатов экспериментов показывает, что по степени влияния на параметр оптимизации факторы расположились следующим образом:

– по влиянию на микротвердость покрытия: частота подачи искрового разряда и, время упрочнения t, энергия искрового разряда W;

– по влиянию на толщину обработанной поверхности: скорость подачи электрода VS, энергия искрового разряда W, частота подачи искрового разряда и.

Оптимизация математических моделей (8) и (9) позволила определить энергетические и кинематические параметры ЭИО, при которых достигаются максимальная микротвердость и толщина покрытия:

– при упрочнении блока цилиндров: микротвердость покрытия Нμ= 202 HV (на глубине 15 мкм от поверхности), технологические режимы – и= 400 Гц, t = 6 мин на 1 см2, W= 0,22 Дж;

– при наплавке поршней: толщина покрытия h= 594 мкм (сплошность покрытия не менее 70%), технологические режимы – VS= 0,25 мм/мин, W = 4,25 Дж, и = 400 Гц.

Металлографические исследования покрытий, полученных электроискровым упрочнением сферической поверхности блока цилиндров электродом из латуни ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1, показали, что они состоят из двух зон: диффузионной на глубине до 15…150 мкм и подслоя на глубине 150…200 мкм. Установлено, что по глубине слоя микротвердость плавно снижается от 230 HV до микротвердости основы 165 HV. Микротвердость покрытия на глубине, достаточной для решения технологической задачи (15 мкм) составляет 202 HV. Следовательно, после ЭИУ микротвердость поверхности увеличивается в 1,22 раза по сравнению с микротвердостью материала основы, что должно оказать существенное влияние на повышение износостойкости упрочненной поверхности.

Металлографические исследования покрытий, полученных электроискровой наплавкой сталью 65Г на стали 38Х2МЮА, показали, что нанесенный слой состоит из окислов и фрагментов застывшего металла на глубине 10…20 мкм, нетравящегося белого слоя до 20…130 мкм и термодиффузионной зоны – подслоя до 130…290 мкм.

Микротвердость слоя равномерно возрастает от 720 до 795 HV, что на 3…12 % ниже, чем микротвердость образцов из стали 38Х2МЮА без ЭИО – 810…830 HV. Микротвердость покрытия при толщине, достаточной для восстановления максимального суммарного износа соединений «блок цилиндров – поршень», «поршень регулятора – крышка» и площади опорной поверхности не менее 80 % (200 мкм), составляет 760 HV.

Исследования топографии электроискровых покрытий показали, что текстура поверхностей имеет специфический рельеф в виде замкнутых контуров. Следовательно, покрытия, полученные методом ЭИО, должны удерживать на поверхности больший объем масла, обладать лучшей несущей способностью и более высокой задиростойкостью.

Лабораторно–стендовыми триботехническими испытаниями установлено:

– для соединений «блок цилиндров – распределитель», «блок цилиндров – поршень» минимальный коэффициент трения эталонной пары 0,015, упрочненных образцов – 0,011, восстановленных – 0,13; Максимальная несущая способность эталонной пары 27,4 МПа, что близко к значению, полученному расчетным путем (26,9 МПа), упрочненных образцов – 32,3 МПа, что в 1,17 раза больше, чем у эталонной пары; восстановленных образцов – 28,9 МПа; оптимальная нагрузка эталонной пары – 21,1 МПа, упрочненных образцов – 24,8 МПа, восстановленных – 24,3 МПа;

– для соединения «поршень регулятора – крышка» минимальный коэффициент трения эталонной пары 0,094, восстановленных образцов – 0,081; максимальная несущая способность эталонной пары – 13,6 МПа, восстановленных образцов – 17,2 МПа, что в 1,26 раза больше, чем у эталонной пары; оптимальная нагрузка эталонной пары 8,7 МПа, восстановленных образцов – 11,3 МПа.

Сравнительная оценка интенсивности изнашивания по фактору износа для каждого исследуемого соединения при оптимальной нагрузке и среднего значения нагрузок, полученных расчетным путем (табл. 2), представлена на рисунке 4.

Установлено, что для всех ресурсолимитирующих соединений суммарная интенсивность изнашивания упрочненных и восстановленных пар меньше, чем у эталонных. Для соединения «блок цилиндров – распределитель», оказывающего наибольшее влияние на работоспособность агрегата, фактор износа упрочненной пары в 1,14 раза меньше, чем у эталонной, при оптимальной нагрузке и в 1,57 раза меньше при расчетной нагрузке.

Пятая глава посвящена разработке новой технологии ремонта регулируемых аксиально-поршневых насосов и оценке ее экономической эффективности.

Эксплуатационные испытания 23 отремонтированных насосов серии 313.3.112 показали, что отказов по второй группе сложности не зафиксировано. Нижняя доверительная граница прогнозируемого среднего ресурса отремонтированных регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3.112 составляет 3 820 часов, что соответствует среднему доремонтному ресурсу новых серийных агрегатов. Эксплуатационные испытания восстановленных насосов продолжаются.

Технология внедрена на ОАО «Грачёвский завод Гидроагрегат» Ставропольского края и в малом инновационном предприятии ООО «Агросервис» г. Саранска, Республики Мордовия.

Экономический эффект при программе ремонта 100 регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3.112 в год по разработанной технологии составляет 1 901 430 рублей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ и рекомендации

1. Оценка технического состояния 57 бывших в эксплуатации регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3 показала, что основной причиной нарушения работоспособности агрегата является износ деталей соединений «блок цилиндров – распределитель» (92 % случаев), «блок цилиндров – поршень» (86 %), «поршень регулятора – крышка» (56 %).

2. Многофакторным экстремальным экспериментом установлено, что по степени влияния на объемный КПД факторы расположены в следующей последовательности: площадь износа соединения «блок цилиндров – распределитель», зазор в соединении «блок цилиндров – поршень», зазор в соединении «поршень регулятора – крышка».

3. Установлено, что при снижении объемного КПД насоса до предельного значения, равного 0,76, величины износов и зазоров равны: площадь износа соединения «блок цилиндров – распределитель» S = 0,0724 мм2, зазор в соединении «блок цилиндров – поршень» zб-п = 42 мкм., зазор в соединении «поршень регулятора – крышка» zп-к = 26,6 мкм, при допустимом значении объемного КПД насоса, равном 0,855, соответственно S = 0,0508 мм2, zб-п = 37,38 мкм, zп-к = 25,58 мкм.

4. Моделированием напряженно-деформированного состояния установлены средние и максимальные значения контактных напряжений в ресурсолимитирующих соединениях регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3.112 в условиях, имитирующих номинальные режимы работы.

5. Установлены оптимальные технологические режимы электроискрового упрочнения: частота подачи искрового разряда и = 400 Гц, время упрочнения t = 6 мин. на 1 см2, энергия искрового разряда W = 0,22 Дж; электроискровой наплавки: скорость подачи электрода VS= 0,25 мм/мин, энергия искрового разряда W = 4,25 Дж, частота подачи искрового разряда и = 400 Гц, которые позволяют получить максимальную микротвердость упрочненной поверхности, равную 202 HV, и максимальную толщину покрытия 594 мкм на диаметр.

6. Установлено, что после электроискрового упрочнения блока цилиндров микротвердость поверхности увеличивается в 1,22 раза по сравнению с микротвердостью материала основы. При электроискровой наплавке поршней микротвердость покрытия равномерно возрастает от 720 до 795 HV, что на 3…12 % ниже, чем микротвердость материала основы.

7. Триботехнические испытания соединений по ГОСТ 23.224–89 показали, что минимальные коэффициенты трения и максимальную несущую способность имеют образцы с электроискровым покрытием. Для соединения, оказывающего наибольшее влияние на работоспособность агрегата, фактор износа упрочненной пары в 1,14 раза меньше, чем у эталонной, при оптимальной нагрузке и в 1,57 раза меньше при расчетной нагрузке.

8. Разработан технологический процесс ремонта регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3.112, обеспечивающий техническое состояние и средний межремонтный ресурс агрегата на уровне нового.

Экономический эффект при программе ремонта 100 регулируемых аксиально-поршневых гидронасосов серии 313.3.112 в год по разработанной технологии составляет 1 901 430 рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК Минобрнауки РФ

1. Сенин А. П. Исследование работоспособности и разработка технологических рекомендаций по ремонту объемного гидропривода ГСТ-90 / Ф. Х. Бурумкулов, П. А. Ионов, Д. А. Галин, А. М. Земсков // Труды ГОСНИТИ. – 2011. – Т. 107, часть 1. – С. 78–86.

2. Сенин А. П. Новая технология ремонта аксиально-поршневых гидромашин /  Ф. Х. Бурумкулов, П. А. Ионов, А. В. Столяров // Тракторы и сельхозмашины. – 2012. – № 9. С. 50–53.

3. Сенин А. П. Моделирование нагрузок в качающих узлах регулируемых аксиально-поршневых гидромашин / Ф. Х. Бурумкулов, П. А. Ионов, А. В. Столяров // Труды ГОСНИТИ. – 2012. – Т. 110, часть 2. – С. 148–153.

Статьи в других изданиях, включая труды всероссийских и международных НТК

4. Сенин А. П. Оценка работоспособности объемных гидроприводов ГСТ-112 /  П. А. Ионов, Д. А. Галин, А. М. Земсков, В. И. Луконин // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: межвуз. сб. науч. тр. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2010. – С. 102–107.

5. Сенин А. П. Моделирование нагрузок в аксиально-поршневых гидромашинах / Ф. Х. Бурумкулов, П. А. Ионов, А. В. Столяров // Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК: материалы Междунар. науч.-практ. конф. – Саранск: Тип. «ПРО-Движение», 2011. – С. 244–250.

6. Сенин А. П. Исследование работоспособности и разработка технологических рекомендаций по ремонту аксиально-поршневых гидронасосов серии 310.56 / Ф. Х. Бурумкулов, П. А. Ионов, А. В. Столяров // Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК: материалы Междунар. науч.-практ. конф. – Саранск: Тип. «ПРО-Движение», 2011. – С. 261–269.

7. Сенин А. П. Моделирование нагрузок в качающемся узле объемного гидропривода ГСТ-90 / П. А. Ионов, А. В. Столяров, А. В. Якунин // Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК: материалы Междунар. науч.-практ. конф. – Саранск: Тип. «ПРО-Движение», 2011. – С. 269–272.

8. Сенин А. П. Стандарты диагностирования транспортных средств / А. И. Кулев,  Д. А. Галин // Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК: материалы Междунар. науч.-практ. конф. – Саранск: Тип. «ПРО-Движение», 2011. – С.259–363.

9. Сенин А. П. Результаты моделирования нагрузок регулируемых аксиально-поршневых гидромашин / Ф. Х. Бурумкулов, П. А. Ионов, А. В. Столяров // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: материалы Междунар. науч.-практ. конф. – Саранск, 2012. – С.430–436.

10. Сенин А. П. Оптимизация кинематических и энергетических режимов, влияющих на толщину и качество нанесённого слоя при механизированной электроискровой обработке // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: материалы Междунар. науч.-практ. конф. – Саранск, 2012. – С.343–349.

11. Сенин А. П. Оптимизация технологических режимов электроискрового упрочнения рабочих поверхностей деталей машин / Ф. Х. Бурумкулов, П. А. Ионов, А. В. Столяров, А. М. Земсков // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: материалы Междунар. науч.-практ. конф. – Саранск, 2012. – С.384–390.

Авторские свидетельства и патенты

12. Патент на полезную модель № 74257 Российская Федерация, МПК 7B23H 1/02. Устройство для электроискровой обработки поверхностей / Ф. Х. Бурумкулов, П. В. Сенин, С. А. Величко, В. И. Иванов, П. А. Ионов, Н.В. Раков, А. П. Сенин; патентообладатель ГОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева». – заявка  № 2008102170/22; 21.01.08; опубл. 20.05.08, Бюл. № 14.







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.