Повышение долговечности прецизионных деталей гидравлических распределителей нанокомпозиционным химическим никелированием
На правах рукописи
СЁМОЧКИН Владимир Сергеевич
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ
ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЕЙ
НАНОКОМПОЗИЦИОННЫМ ХИМИЧЕСКИМ
НИКЕЛИРОВАНИЕМ
Специальность 05.20.03 – Технологии и средства
технического обслуживания в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образо вательном учреждении высшего профессионального образования «Сара товский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова».
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сафонов Валентин Владимирович
Официальные оппоненты: Межецкий Геннадий Дмитриевич, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ», профессор кафедры «Детали машин, подъемно-транспортные машины и сопротивление материалов»
Кожуховская Людмила Яковлевна, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Саратовский ГТУ», профессор кафедры «Организация перевозок и управление транспортом»
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия»
Защита диссертации состоится 29 марта 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 на базе ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу: г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ».
Отзывы на автореферат направлять по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл. 1, ученому секретарю, e-mail: [email protected]
Автореферат диссертации разослан 28 февраля 2013 г. и размещн на сайте: www.sgau.ru, Минорбнауки РФ.
Ученый секретарь диссертационного совета С.В. Старцев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Восстановление работоспособности и повышение межремонтного ресурса деталей машин и отдельных механизмов – важней шая задача ремонтного производства.
В процессе эксплуатации сельскохозяйственных машин от 30 до 50 % всех отказов приходится на гидравлическую систему из-за износа прецизион ных деталей, в основном золотников. Основная причина абразивного износа в – попадание в масло механических частиц.
Для восстановления работоспособности золотников наиболее перспек тивными являются способы, которые позволят минимизировать последую щую механическую обработку и создать на поверхности детали слой с необ ходимыми физико-механическими свойствами. Они должны проходить при низких температурах с целью исключения коробления деталей. К этим спо собам восстановления, в первую очередь, можно отнести гальванические и химические.
Однако при всех достоинствах гальванические способы восстановления имеют такие недостатки, как возникновение дендридов на кромках деталей, недостаточно высокая микротвердость и износостойкость покрытий и др. По этому в последние годы успешно развивается технология осаждения компо зиционных химических покрытий (КХП). Практическую ценность представ ляет композиционное химическое никелирование, так как из всех химических покрытий никелевое обладает наиболее высокой микротвердостью, износо- и коррозионной стойкостью.
В связи с изложенным актуальной задачей является разработка техноло гии восстановления и упрочнения золотников композиционным химическим покрытием на основе никеля.
Степень разработанности проблемы. Исследованию применения дис персных добавок в растворы химического нанесения покрытий для повыше ния эксплуатационных свойств посвящены работы С. А. Вишенкова, С. А.
Каспарова, М. И. Черновол, И. Н. Щербакова, А. С. Хлыстова, С. А. Шишу рина, А. А. Гаврилова и др.
Решением проблемы улучшения эксплуатационных показателей и по вышения долговечности трущихся деталей значительный вклад внесли такие ученые, как Д.Г. Вадивасов, Е.Л. Воловик, В.В. Курчаткин, И.С. Левитский, В.М. Михлин, С.С. Некрасов, Ю.Н. Петров, М.Я. Рассказов, В.В. Сафонов, Г.П. Шаронов и др. В настоящее время, несмотря на проведенные исследова ния, эта проблема является актуальной и требует дальнейшего изучения и развития.
В частности недостаточно изучено влияние дисперсных добавок нано метрового диапазона на физико-механические свойства химического покры тия на основе никеля. Это обусловило выбор темы исследования, его цель и задачи.
Цель работы – увеличение межремонтного ресурса гидравлических распределителей путем разработки и применения технологического процесса восстановления и упрочнения поясков золотника ультра- и нанокомпозици онным химическим никелированием.
Объект исследования – процесс образования нанокомпозиционного химического покрытия на основе никеля.
Предмет исследования – закономерности влияния наноразмерных по рошков оксида алюминия и полититаната калия на физико-механические свойства никелевого покрытия и долговечность прецизионных деталей гид равлических распределителей.
Методология и методы исследований. Методологической основой для выполнения работы являлись методы обработки экспериментальных данных с помощью математической статистики. Лабораторным исследованиям под вергали поверхностный слой КХП, его основные физико-механические свой ства, износо- и коррозионную стойкость. Стендовые испытания проводили на модернизированном стенде КИ-4200. В результате эксплуатационных испы таний был определен ресурс золотниковых пар гидравлических распредели телей типа Р80, восстановленных ультра- и нанокомпозиционным химиче ским никелированием.
Научная новизна. Теоретически обосновано повышение ресурса и как следствие – долговечности гидрораспределителя с золотниками, восстанов ленными КХП на основе никеля. Установлены оптимальный состав раствора нанокомпозиционного никелирования и режимы нанесения КХП, позволяю щие получать их с повышенными физико-механическими свойствами.
Изучены структура поверхности и основные эксплуатационные свойства химического никелевого покрытия, формирующиеся при добавлении в рас твор никелирования ультра- и нанодисперсных частиц.
Научные положения, выносимые на защиту:
теоретическое обоснование повышения ресурса золотников восста новленных композиционным химическим никелированием;
исследование влияния состава раствора и режимов композиционного никелирования на механизм формирования структуры и основных физико механических свойств композиционного покрытия;
технология восстановления золотниковых пар ультра- и нанокомпо зиционным никелированием;
результаты стендовых и эксплуатационных испытаний.
Теоретическая и практическая значимость. Теоретически обосновано повышение износостойкости химического никелевого покрытия с добавлени ем ультра- и нанодисперсных частиц. На основании проведенных исследова ний предложена технология восстановления золотниковых пар гидравличе ских распределителей типа Р80 нанокомпозиционным химическим никелиро ванием, которая позволяет увеличить ресурс золотниковых пар в 1,2 раза по сравнению с серийными.
Реализация результатов исследований. Результаты научных исследо ваний внедрены в К(Ф)Х «Лавровское», К(Ф)Х «Харенко В.В.», СХПК «Го рецкое» и ООО «КЭМЗ» Краснокутского района Саратовской области, а так же могут быть использованы в ремонтном производстве при восстановлении и упрочнении изношенных деталей автотракторной техники.
Степень достоверности и апробация работы подтверждена современ ными методиками исследования, применением оборудования и высокоточной измерительной аппаратуры, методами обработки экспериментальных данных с помощью математической статистики.
Основные положения и результаты работы были доложены, обсуждены и одобрены:
на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, науч ных работников и аспирантов СГАУ (2009–2012 гг);
ежегодном межгосудар ственном постоянно действующем научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (Саратов, 2009–2012 гг.);
на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди студентов и аспирантов вузов МСХ России (Саратов, 2010–2011 гг.);
на Все российской научно-практической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (Саранск, г.);
на Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора Д.Г. Вадивасова (Саратов, 2009 г.);
на международной научно-практический конференции «Вавиловские чтения»
(Саратов, 2009–2011);
на конференциях в рамках выставки НТТМ (Москва, 2011);
на Саратовском салоне изобретений, инвестиций, инноваций (Саратов, 2011);
на Молодежном инновационном форуме (Ульяновск, 2010);
Работы по созданию и исследованию ультра- и нанокомпозиционных покрытий на основе никеля были проведены при поддержке гранта Президента РФ МК 3789.2009.8.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК. Общий объем публикаций – 4,46 печ.
л., из которых 1,3 печ. л. принадлежит лично соискателю. Получен патент на изобретение № 2465374.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Изложена на 126 стра ницах. Содержит 14 таблиц, 36 рисунков. Список литературы включает в се бя 115 наименований, из них 10 на иностранном языке.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность темы и основные положения, ко торые выносятся на защиту.
В первой главе «Обоснование актуальности темы» изучено состояние вопроса, поставлена цель и определены задачи исследований. Установлено, что на надежность автотракторной техники большое влияние оказывает тех ническое состояние гидравлической аппаратуры. Ресурсоопределяющими деталями в гидросистеме являются золотники распределителей, от их нор мальной работы в значительной степени зависит долговечность гидрораспре делителя и машины в целом.
В решение проблемы улучшения эксплуатационных показателей и по вышения долговечности трущихся деталей значительный вклад внесли такие ученые, как Д.Г. Вадивасов, С.А. Вишенков, Е.Л. Воловик, В.В. Курчаткин, И.С. Левитский, В.М. Михлин, С.С. Некрасов, Ю.Н. Петров, М.Я. Рассказов, В.В. Сафонов, Г.П. Шаронов, С.А. Шишурин и др.
На основе анализа существующих способов восстановления работоспо собности золотников гидрораспределителей разработан эффективный способ, отличающийся технологичностью, малой трудоемкостью, позволяющий соз дать на поверхности детали слой с необходимыми физико-механическими свойствами.
Наиболее перспективны для восстановления работоспособности золот ников – КХП на основе никеля. При нанесении таких покрытий отсутствует термическое воздействие на деталь, приводящее к ее короблению. КХП пред ставляют собой химически осажденную матрицу с заданным распределением в ней различных порошкообразных материалов. Улучшение физико механических свойств КХП позволяет существенно повысить ресурс золот ников. Кроме того, не требуются затраты на дорогостоящее оборудование, так как при нанесении нанокомпозиционного покрытия на основе никеля можно использовать оборудование гальванических цехов, поскольку процесс практически не отличается от стандартного процесса химического никелиро вания.
В соответствии с проведенным анализом и поставленной целью были определены следующие задачи:
1. Изучить причины отказов гидравлических распределителей сельскохо зяйственной техники и способы восстановления их работоспособности.
2. Теоретически обосновать повышение ресурса золотников за счет нане сения ультра- и нанокомпозиционного химического покрытия на основе ни келя и оптимальные режимы его получения.
3. Разработать технологию восстановления работоспособности золотни ков гидрораспределителей применением ультра- и нанокомпозиционного хи мического покрытия на основе никеля и исследовать физико-химические свойства полученного покрытия.
4. Провести стендовые и эксплуатационные испытания гидрораспреде лителей и определить технико-экономическую эффективность разработанной технологии восстановления их работоспособности.
Во второй главе «Теоретическое обоснование повышения ресурса золотников применением ультра- и нанокомпозиционного химического никелированиия» рассмотрены процессы образования и упрочнения КХП, теоретически обосновано повышение долговечности деталей, восстановлен ных композиционным химическим покрытием на основе никеля, а также оп ределен оптимальный состав раствора и режимы нанесения покрытия.
Для объяснения механизма процесса химического никелирования в по следние годы было предложено несколько гипотез. Одна из них предполага ет, что восстановление иона никеля происходит за счет образования гальва нического элемента, в котором анодом является водород, а катодом – покры ваемый металл.
В другой гипотезе схема процесса представлена в виде многоступенча той реакции. Восстановление иона никеля осуществляется путем получения им электрона с поверхности металла, в то время как передача электронов от гипофосфита к металлу происходит за счет радикала ОН.
Тем не менее на начальных стадиях кристаллизация никеля идет по ост ровковому механизму. Рассмотрим образование кристаллита никеля, состоя щего из зерен. Если зерна последующих слоев плотно укладываются друг к другу, то строится кристаллическая решетка с правильным расположением атомов (рисунка 1, а). Если зерна укладываются в положение так, как это по казано на рисунке 1, б, то может образоваться дефект упаковки.
Можно предположить, что частицы дисперсного порошка, вводимого в раствор никелирования, двигаясь хаотично во всем объме, заполнят дефекты кристаллической решетки и тем самым повысят плотность упаковки атомных слоев.
а б Рисунок 1 – Модели расположения зерен Ni в кристаллите в нормальном положении (а) и дефектном (б) В сопряжении «золотник – корпус» гидрораспределителя происходит аб разивный износ. Для объяснения механизма упрочнения КХП рассмотрим механизм изнашивания покрытия абразивными частицами в процессе экс плуатации.
По мнению ученых М. М. Хрущева и М. А. Бабичева, при абразивном износе покрытий, полученных различными методами, определяющим факто ром разрушения является деформация вследствие больших напряжений, воз никающих от действия абразивных частиц. Абразивная частица даже при ма лых внешних нагрузках внедряется в рабочую поверхность и оставляет за собой след деформированного металла покрытия, нанесенного на поверх ность детали. Вследствие деформаций в микрообъемах металла покрытия возникают напряжения, увеличивающиеся с последующим действием абра зивной частицы. При критическом значении напряжения происходит разру шение и отделение микрообъемов металла покрытия.
Таким образом, можно предположить, что при абразивном изнашивании химического покрытия разрушающим фактором является не резание и отде ление микростружки, а деформация и скол вследствие возникновения высо ких напряжений в области контакта абразивной частицы с поверхностью тре ния.
Для изучения механизма абразивного износа деталей, восстановленных композиционным химическим никелированием, можно использовать теорию накопления повреждений, разработанную А.Р. Ржаницыным. В своей работе он предложил характеризовать износ параметром мгновенной прочности мате риала S, уменьшающимся с течением времени под действием приложенной нагруз ки и равным напряжению в момент разрушения, то есть:
S = кр – условие разрушения, (1) где S – параметр мгновенной прочности, характеризующий уровень сопро тивляемости материала;
S кр – условие прочности. (2) где кр – критическое напряжение, МПа.
Критический изнашивание (разрушение) будет наблюдаться по мере при ближения значения фактического напряжения к значению предела прочности материала покрытия. По мнению Ржаницына А.Р., Качанова Л.М.:
S = ф + ф kизн кр = 75% в, где ф – фактическое напряжение в покрытии, МПа;
kизн – коэффициент влия ния износа;
в – предел прочности, МПа.
Тогда условие (1) можно записать следующим образом:
ф(1 + kизн) = 0,75в, (3) Фактическое напряжение является результирующей между пределами текуче сти и прочности:
ф2 = в2 + т2, (4) где в – предел прочности материала, МПа;
т – предел текучести материала, МПа.
Так как в процессе изнашивания материала внутренние напряжения бу дут изменяться во времени, то для их определения целесообразно пользо ваться нелинейной квадратичной зависимостью:
(t)= 0 + at + b(t)2, (5) где 0 – начальное напряжение, равное напряжению на диаграмме деформи рования материала, МПа;
а, b – коэффициенты функции, полученные на ос нове экспериментальных данных для группы материалов, в которую входит исследуемое покрытие, при аналогичных режимах нагружения;
t – время, ч.
Коэффициент влияния износа на напряженное состояние покрытия нахо дим из выражения:
h2 3 hизн hизн hизн, (6) 1,99 0,41 изн k изн 38,48 53, 2 3 h0 h0 h0 h где hизн – толщина изношенного слоя покрытия, мкм;
h0 – начальная толщина по крытия, мкм.
В нашем случае в выражении (5) в качестве начального напряжения необходи мо использовать пределы прочности в и текучести т, определенные на диаграмме деформирования материалов. Так для чистого никеля т = 120 МПа, в = МПа, а для композиционного т = 276 МПа, в = 680 МПа.
Начальную толщину полученного покрытия и его изношенного слоя устанав ливали с помощью микрометрической скобы МЛ-25 до и после испытаний. В ре зультате получили следующие данные: у базового покрытия h0 = 23 мкм, hизн = 12 мкм, а у композиционного покрытия h0 = 36 мкм, hизн = 8 мкм.
Подставив полученные данные в выражение (3) и выполнив математиче ские преобразования, получили уравнение с одним неизвестным t – критиче ским временем или временем до полного изнашивания покрытия.
для чистого покрытия:
497432,8 + 3935,3t – 1832,5t2 – 0,65t3 + 0,04t4 = 0 (7) для композиционного покрытия:
1696218,9 + 1104,6t – 342,2t2 – 1,098t3 – 0,068t4 = 0 (8) Решив уравнения (7) и (8), нашли переменную t. В результате для исходно го (базового) покрытия время до полного изнашивания составляет 11 мин, а для покрытия с добавлением ультра- и нанодисперсных частиц – 16 мин, что в 1,5 раза больше.
Для подтверждения полученных результатов проводили серию эксперимен тов по испытанию покрытий на износостойкость. Цель испытаний – опреде лить время до полного изнашивания покрытия в критических условиях.
Испытания образцов проводили на машине трения МИ-1М по схеме «ро лик – колодка». Колодки изготавливали из серого чугуна СЧ 20, ролик – из среднеуглеродистой стали 40. На ролик наносили экспериментальные покры тия. Исследованиям подвергали образцы, покрытые композиционным и чис тым химическим покрытием на основе никеля. Подвод смазки в зону трения осуществляли периодически каждые 3 мин эксперимента волосяной кистью пропитанной маслом. В качестве смазочного материала использовали инду стриальное масло И-20. Начальная нагрузка на образце составляла 800 Н, да лее нагрузку повышали на 150 Н через каждые 3 мин, в течение которых мо мент трения принимал постоянную величину для данной ступени нагруже ния. Продолжительность испытаний фиксировали при помощи секундомера до момента схватывания трущихся поверхностей. Полное изнашивание по крытия определяли по скачкообразному изменению момента трения.
В результате проведенных испытаний установлено, что для исходного (базового) покрытия время до полного изнашивания составляет 9 мин, а для покрытия с добавлением частиц – 15 мин, что в 1,7 раза больше.
Ресурс восстановленных золотников выражается известной зависимо стью:
Iд t Tд, (9) h где Iд – величина допустимого износа, мкм;
h – толщина изношенного слоя, мкм;
t – время износа, ч.
Из выражения (9) видно, что с увеличением времени износа ресурс дета лей увеличивается.
Оптимальные условия нанесения покрытий и концентрацию частиц дис персной фазы в растворе определяли метода математического планирования эксперимента, на основании которого были составлены математические мо дели процесса и построена поверхность отклика (рисунок 2).
В качестве параметра оптимизации была принята микротвердость y по лученных покрытий. Для нанесения покрытия использовали нанодисперсный порошок Al2O3 и ультрадисперсный порошок K2O nTiO2, которые в ранее проведенных исследованиях показали наилучшие результаты.
В качестве факторов, наиболее влияющие на параметр оптимизации, бы ли выбраны следующие: концентрация оксида алюминия х1, концентрация полититаната калия х2, температура последующей термообработки покрытия х 3.
Уравнение регрессии, описывающие процесс нанесения покрытий имеет вид:
y = 493,1 – 723,9х1 – 2548,9х2 – 2,9х3 + 1287,5х1х2 + (10) 1,53х1х3+ +1,31х2х3 – 540х12 – 5727,5х22 – 0,0057х В результате проведенных расчетов были определены оптимальные кон центрации дисперсной фазы, позволяющие достичь микротвердости покры тия HV 1003, что в 1,9 раза выше, чем у стандартного (базового) покрытия.
Таким образом, применение дисперсных частиц позволяет улучшить основ ные физико-механические свойства получаемых покрытий на основе никеля и как следствие – повысить долговечность восстанавливаемых деталей и агре гатов автотракторной техники.
Рисунок 2 – Зависимость параметра оптимизации от концентрации дисперсных частиц Третья глава «Методика исследования физико-механических свойств полученных покрытий» содержит программу и методики исследо ваний физико-механических свойств исследуемых покрытий, а также прове дения стендовых и эксплуатационных испытаний.
Эффективность дисперсных добавок оценивали по микротвердости и толщине полученных композиционных покрытий. Микротвердость измеряли с помощью микротвердомера ПМТ-3, а толщину – микрометрической скобой МЛ-25.
Определив наиболее эффективный материал, дальнейшие исследования физико-механических свойств КХП проводили только с его использованием.
Для испытания полученных покрытий на прочность сцепления с основой были выбраны метод изгиба и метод изменения температур согласно ГОСТ 9.302–88.
Покрытие наносили на образцы в виде пластин размерами 100х20х2 мм, изготовленных из среднеуглеродистой стали 25 ГОСТ 1050–88. После нане сения покрытия образцы подвергали термообработке при температуре 400 °С в течение 1 ч.
При использовании метода изменения температур образец с покрытием нагревали в муфельной печи СНОЛ 12/16 до температуры 300 °С, выдержи вали при данной температуре в течение 15 мин и быстро охлаждали в воде с температурой 15…25 °С. Прочность сцепления покрытия с основой оценива ли по наличию на поверхности образца вздутий, трещин и отслаиваний. Ме тод изгиба заключался в испытании пластинчатых образцов на изгиб под уг лом 90 в обе стороны. При высокой прочности сцепления отслаивание по крытия должно отсутствовать.
Структуру поверхности полученных покрытий исследовали с помощью растрового электронного микроскопа «MIRA II TESCAN» (Чехия). Опреде ляли характер распределения модификаторов в матрице покрытия, принци пиальные отличия между чистым (базовым) и композиционным покрытиями.
Для определения элементного состава композиционного никелевого по крытия и обнаружения в нем присутствия нано- и ультрадисперсных частиц порошков был проведен эмиссионный анализ образцов по дифракции отра женных электронов. Исследовательский комплекс «MIRA II TESCAN» снаб жен микроанализаторами химического состава, что позволило получить бо лее полную информацию об исследуемом покрытии.
Износостойкость покрытий оценивали на лабораторной установке МИ 1М по схеме «ролик – колодка».
Испытания проводили согласно ГОСТ 23.224–86 «Обеспечение износо стойкости деталей. Методы оценки износостойкости восстановленных дета лей» в двух средах: на чистом и загрязненном индустриальном масле И- (ГОСТ 20799–88). В качестве загрязнителя использовали кварцевый порошок марки 1К1О101 (ГОСТ 2138–91) при концентрации 0,08 % по объму. Нагруз ка на образец составляла 900 Н.
Перед испытаниями образцы пар трения прирабатывали в течение 3 ч.
Износ образцов определяли взвешиванием на аналитических весах марки ВЛА-200М с точностью измерения 1 10-4г.
Коррозионные испытания исследуемых покрытий проводили согласно ГОСТ 9.308–85 «Покрытия металлические и неметаллические неорганиче ские. Методы ускоренных коррозионных испытаний» при повышенной отно сительной влажности и температуре с периодической конденсацией влаги и введением агрессивной составляющей – хлористого натрия ГОСТ 4233–77.
Образцы изготавливали в виде пластин размерами 100152 мм. Для испыта ний было подготовлено 12 образцов. На 6 из них наносили химическое по крытие на основе никеля, на другие 6 – композиционное химическое покры тие. Перед испытанием образцы взвешивали на аналитических весах типа ВЛА-200М, после чего их помещали в камеру коррозионных испытаний.
Для определении эффективности разработанной технологии восстанов ления золотников гидрораспределителей композиционным химическим ни келированием был применен метод ускоренных стендовых испытаний. Для этого были отремонтированы гидрораспределители типа Р80-3/1-222. Экспе риментальные гидравлические распределители комплектовали серийными золотниками, золотниками, восстановленными по существующей технологии (железнение), и золотниками, восстановленными композиционным химиче ским никелированием. Перед началом испытаний гидрораспределители про веряли согласно ТУ 23.1.20–77 «Распределители гидравлического типа Р ГОСТ 87-54–71» на стенде КИ-4200. Ускоренные испытания каждого гидро распределителя проводили на модернизированном стенде КИ-4200, добавляя в рабочую жидкость искусственный загрязнитель. В качестве загрязнителя использовали кварцевый порошок марки 1К1О101 (ГОСТ 2138–91) при кон центрации 0,08 % по объму, что соответствует среднему значению концен трации абразива в рабочей жидкости гидросистемы при эксплуатации.
Чтобы поддержать седиментационную стойкость абразива в рабочей жидкости стенда использовали лопастную мешалку. Для имитации работы гидрораспределителя было разработано приспособление для стенда КИ-4200, которое позволяет испытывать поочередно каждый золотник в позициях «Подьем», «Опускание», «Плавающее» и «Нейтральное» (рисунок 3, а). При способление (рисунок 3, б)состоит из электродвигателя 1, упругой муфты 2, червячного редуктора 3, шатуна 4 и удлинителя 5, соединенного с испыты ваемым золотником гидрораспределителя.
а б Рисунок 3 – Модернизированный стенд КИ-4200 для испытаний гидрораспределителей (а) и дополнительное приспособление к стенду (б).
Утечки регистрировали через каждые 8 ч испытаний. Объем утечек из меряли при помощи мерительной мензурки.
Эксплуатационные сравнительные испытания отремонтированных гид рораспределителей Р80 с восстановленными и серийными золотниками про водили в К(Ф)Х «Лавровское», К(Ф)Х «Харенко В.В.» и СХПК «Горецкое»
Краснокутского района Саратовской области. Экспериментальные гидрорас пределители были установлены на тракторах ДТ-75М, МТЗ-80, Т-150К, кото рые выполняли различные типы сельскохозяйственных работ.
Перед началом испытаний гидрораспределители проверяли и регулиро вали на стенде КИ-4200. Продолжительность испытаний каждого гидрорас пределителя в среднем составляла 842 мото-ч. В процессе эксплуатационных испытаний контролировали наработку и через каждые 400 мото-ч техниче ское состояние гидрораспределителей и величину утечек в сопряжении «зо лотник – корпус».
В четвертой главе « Результаты экспериментов» приведены ре зультаты лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний, а также технология восстановления сопряжения «золотник – корпус» гид рораспределителя Р80 нанокомпозиционным химическим никелированием.
В результате предварительных экспериментов была определена на и более эффективная упрочняющая фаза КХП на основе никеля – нанодис персный порошок оксида алюминия и ультрадисперсный порошок поли титаната калия.
Как известно, износостойкие покрытия должны иметь повышенную мик ротвердость и высокие антифрикционные свойства. В связи с этим было предложено одновременно вводить в состав раствора никелирования нано дисперсный порошок оксида алюминия с целью увеличения микротвердости покрытия и ультрадисперсный порошок полититаната калия для улучшения его антифрикционных характеристик.
Исследование структуры поверхности покрытий показало, что их внешний вид достаточно сильно отличается (рисунок 4). Стандартное (базо вое) покрытие гладкое, без каких либо включений. КХП на основе никеля имеет большое количество включений различного размера по всей поверхно сти. Причем видно, что процесс внедрения частиц происходит равномерно, и они заращиваются на разных стадиях формирования покрытия.
В результате спектрального анализа никелированных образцов были по лучены спектрограммы чистого и композиционного покрытий на основе ни келя (рисунок 5), по которым было рассчитано содержание элементов в по крытиях (таблица 1). Как видно из представленных данных, композиционное покрытие, кроме никеля, фосфора и натрия, содержит алюминий, калий, ти тан, что подтверждает внедрение в него ультра- и нанодисперсных частиц а б Рисунок 4 – Внешний вид химических покрытий никеля (х1000):
а – чистое (базовое) покрытие;
б –нанокомпозиционное химическое покрытие а б Рисунок 5 – Спектрограммы чистого (а) и нанокомпозиционного (б) покры тий на основе никеля Таблица 1 – Содержание основных элементов в покрытиях, % Содержание элементов в покрытии, % Элемент чистом в покрытии нанокомпозиционном (базовом) Ni 64,07 57, P 14,83 10, Na 2,12 2, – K 2, – Ti 20, – O 6, – Al 1, Результаты лабораторных испытаний показали, что минимальный сред ний износ по массе наблюдается у роликов с композиционным химическим покрытием на основе никеля при испытании на чистом индустриальном мас ле – 2,2 мг, тогда как износ образца с базовым покрытием – 3,4 мг (рисунок 6). Таким образом, износ по массе образцов с КХП при испытании в 1,5 раза меньше, чем износ образцов с никелевым покрытием без добавления частиц. При испытании на загрязненном масле массовый износ ролика с ком позиционным покрытием на основе никеля в 1,4 раза меньше, чем ролика с базовым покрытием. Кроме того, при испытании КХП на износостойкость было замечено снижение момента трения в 1,2 раза по отношению к базово му покрытию (рисунок 7). Повышенная износостойкость КХП на основе ни келя объясняется их высокой микротвердостью и улучшенными антифрикци онными характеристиками.
В результате испытаний на коррозионную стойкость было установлено, что снижение массы образцов с КХП на основе никеля, в среднем составило 0,32 г, а у образцов с чистым химическим покрытием – 0,58 г, что в 1,8 раза меньше.
На основании лабораторных исследований была разработана технология восстановления сопряжения «золотник – корпус» гидрораспределителя Р80 ультра- и нанокомпозиционным никелированием, соблюдение кото рой позволит полностью восстановить работоспособность сопряжения и увеличить его ресурс.
Стендовые испытания показали, что утечки в серийной золотниковой паре превысили допустимое значение 25 см3/мин после 40 ч работы. В золот никовой паре, восстановленной композиционным химическим никелирова нием, величина утечек в 1,4 раза меньше, чем у серийной, и в 1,3 раза мень ше, чем у пары, восстановленной железнением.
Рисунок 6 – Износ образцов в процессе испытания на износостойкость: 1 – базовое покрытие на основе никеля;
2 – нанокомпозиционное покрытие на основе никеля Рисунок 7 – Изменение момента трения в процессе испытания:
Объясняется это более высокой износостойкостью и повышенными ан тифрикционными характеристиками композиционного никелевого покрытия.
За период эксплуатационных испытаний отказов в работе серийных и опытных гидрораспределителей не наблюдалось. Средняя наработка состави ла 842 мото.-ч. Величина утечек находилась в пределах, регламентированных ТУ 3. У 00235814-002–93.
При прогнозировании межремонтного ресурса отремонтированных гид рораспределителей использовали метод определения остаточного ресурса согласно ГОСТ 21571–76 «Методы определения допускаемого отклонения параметра технического состояния и прогнозирования остаточного ресурса составных частей агрегатов машин».
Зная начальное значение утечек в отремонтированном распределителе, и величину их, определяемую диагностированием в момент выполнения про гноза, рассчитывали остаточный ресурс:
x п хо Т ост tэ 1 (11) х(t ) x o где tэ – наработка распределителя с момента эксплуатации, мото-ч;
хп – пре дельная величина утечек в зазорах золотниковых пар, характеризующая вы ход из строя распределителя, см3/мин, хп = 25 см3/мин;
хо – величина утечек в отремонтированном распределителе в начале эксплуатации, см3/мин, хо=2,5 см3/мин;
х(t) – величина утечек после 842 мото-ч, см3/мин, х(t) = 7 см3/мин;
– показатель функции, характеризующий изменение вели чины утечек, для линейного характера изменения = 1.
Остаточный ресурс составил Тост = 3368 мото-ч. Полный ресурс экспери ментальных гидрораспределителей:
Тп = tэ + Тост, (12) Таким образом, прогнозируемый межремонтный ресурс распределителя с золотниками, восстановленными ультра- и нанокомпозиционным никели рованием, составит не менее 4210 мото-ч, при заявленном заводом изготовителем 3500 мото-ч. Прогнозируемый ресурс отремонтированного гидрораспределителя на 20 % выше ресурса нового. Зависимость утечек от наработки представлена на рисунке 8.
Рисунок 8 – Среднее значение прогнозируемого ресурса отремонтированного распределителя:
1 – укомплектованного серийными золотниками;
2 – укомплектованного экспериментальными золотниками В пятой главе «Технико-экономическая эффективность восстанов ления золотников гидрораспределителя Р80 ультра- и нанокомпозици онным никелированием» дана оценка технико-экономической эффективно сти разработанной технологии восстановления золотников. Годовой эконо мический эффект при годовой производственной программе 1400 золотников составил более 450 тыс. руб. Проведенные расчеты свидетельствуют об эко номической целесообразности применения разработанной технологии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Анализ литературных данных показал, что на гидравлическую систему тракторов приходится до 24 % отказов от их общего числа. Одной из основ ных причин низкой наджности гидравлической системы является низкий ресурс гидрораспределителей. Существующие способы восстановления золот никовых пар трудоемки и не обеспечивают их заданного ресурса.
2. Теоретически обосновано повышение ресурса золотников, восстанов ленных композиционным химическим покрытием на основе никеля. Опти мальные режимы нанесения покрытия и состав раствора-суспензии, опреде ленные с помощью математического планирования эксперимента, позволили получить покрытия с микротвердостью до 10 ГПа. На новый состав раствора для химического осаждения композиционных никелевых покрытий получен патент РФ № 2465374.
3. Исследованиями поверхностного слоя композиционного покрытия ус тановлено, что ультра- и нанодисперсные частицы внедряются в него. С по мощью масспектрального анализа образцов выявлено, что композиционное покрытие на основе никеля содержит 1,24 % алюминия, 2,4 % калия, 20,35 % титана, тогда как в базовом никелевом покрытии эти элементы отсутствуют.
Трибологические испытания показали, что износ образцов, на которые нанесено композиционное покрытие на основе никеля, в 1,4 – 1,5 раза мень ше, чем образцов с чистым никелевым покрытием.
Испытаниями на коррозионную стойкость установлено, что образцы с нанокомпозиционным никелевым покрытием имели коррозионную стойкость в 1,8 раза выше, чем образцы с базовым никелевым покрытием.
4. Предложена технология восстановления сопряжения «золотник – корпус» гидрораспределителя ультра- и нанокомпозиционным химическим никелированием.
Стендовыми испытаниями определили, что в золотниковых парах, вос становленных нанокомпозиционным химическим никелированием, величина утечек в 1,4 раза меньше, чем у серийных, и в 1,3 раза меньше чем, у пар вос становленных по существующей технологии (железнением).
5. Эксплуатационные испытания показали, что при наработке 842 мото ч. отказов по причине износа золотниковых пар не обнаружено. Прогнози руемый ресурс отремонтированного гидрораспределителя на 20 % выше ре сурса нового. Годовой экономический эффект от внедрения разработанной технологии восстановления золотников композиционным химическим нике лированием при годовой производственной программе 1400 шт. составил бо лее 450 тыс. руб.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ Публикации в изданиях рекомендованных ВАК 1. Смочкин, В. С. Нанокомпозиционные никель-фосфорные покрытия с улучшенными эксплуатационными свойствами / В. В. Сафонов, С. А. Шишу рин, В. С. Смочкин // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И.
Вавилова. / Сарат. гос. агр. ун-т. – 2011.– Вып. 12 – С. 43– (0,35/0,19 п. л.) 2. Смочкин, В. С. Теоретическое обоснование повышения ресурса дета лей упрочненных ультра– и нанокомпозиционным химическим никелировани ем / В. В. Сафонов, С. А. Шишурин, В. С. Смочкин // Научное обозрение. – 2012.– Вып. 1 – С. 21–27 (0,4/0,23 п. л.) 3. Смочкин, В. С. Восстановление и упрочнение деталей сельскохозяй ственной техники / В. В. Сафонов, С. А. Шишурин, В. С. Смочкин //Ремонт, восстановление, модернизация. – 2012. – Вып. 8 – С. 36–40 (0,35/0,15 п. л.) Публикации в других изданиях 4. Смочкин, В. С. Оценка прочности сцепления нанокомпозиционных никель-фосфорных покрытий с основой / В. В. Сафонов, С. А. Шишурин, В.
С. Смочкин // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внут реннего сгорания : материалы Межгос. науч.-техн. семинара. – Саратов, – 2012.– С. 103–105 (0,19/0,09 п. л.) 5. Смочкин, В. С. Влияние нанодисперсных частиц на внутренние на пряжения в гальванических покрытиях / В. В. Сафонов, С. А. Шишурин, В. С.
Смочкин // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутрен него сгорания : материалы Межгос. науч.-техн. семинара. – Саратов, – 2008.– С. 128–130 (0,19/0,03 п. л.) 6. Смочкин, В. С. Анализ способов упрочнения и восстановления ре сурсоопределяющих деталей / С. А. Шишурин, В. С. Смочкин // Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 100-летию профессора Вадива сова Д. Г. – Саратов, – 2009. – С. 20–23 (0,21/0,15 п. л) 7. Смочкин, В. С. Влияние наноразмерных порошков металлов на мик ротврдость гальванических и химических покрытий / В. В. Сафонов, С. А.
Шишурин, В. С. Смочкин // Проблемы экономичности и эксплуатации дви гателей внутреннего сгорания : материалы Межгос. науч.-техн. семинара. – Саратов, – 2009.– С. 145–149 (0,2/0,09 п. л.) 8. Смочкин, В. С. В. Способы восстановления и упрочнения деталей машин гальванохимическими покрытиями / В. В. Сафонов, С. А. Шишурин, В. С. Смочкин // Повышение эффективности функционирования механиче ских и энергетических систем : материалы Всерос. Науч.-тех. Конф. – Саранск, – 2009. – С. 112 – 115 (0,45/0,2 п. л.) 9. Смочкин, В. С. Нанокомпозиционное гальваническое хромирование / В. В. Сафонов, С. А. Шишурин, В. С. Смочкин // Тезисы докладов участ ников Второго Междунар. конкурса науч. работ молодых ученых в области нанотехнологий. – Саратов,– 2009. – С. 82 – 85 (0,4/0,08 п. л.) 10.Смочкин, В. С. Изменение физико-механических свойств гальвано химических покрытий под действием наноразмерных порошков металлов / В.
В. Сафонов, С. А. Шишурин, В. С. Смочкин // Вавиловские чтения : мате риалы Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 122-летию со дня рожде ния академика Н. И. Вавилова. – Саратов, – 2009. – С. 73–76 (0,2/0,1 п. л.) 11.Смочкин, В. С. Нанокомпозиционные гальвано-химические покры тия / В. В. Сафонов, С. А. Шишурин, В. С. Смочкин // Лучший инновацион ный проект в сфере АПК: сб. науч. работ. – Саратов, – 2010.– С. 68– (0,45/0,25 п. л.) 12.Смочкин, В. С. Модифицирование химического покрытия никеля нанодисперсными порошками металлов / В. В. Сафонов, С. А. Шишурин, В.
С. Смочкин // Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 100 летию профессора Дубинина В.Ф. – Саратов, – 2010. – С. 20– (0,21/0,1 п. л) 13.Смочкин, В. С. Особенности структуры композиционного никель фосфорного покрытия / В. В. Сафонов, С. А. Шишурин, В. С. Смочкин // Вавиловские чтения : материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 123-летию со дня рождения академика Н. И. Вавилова. – Саратов, – 2009. – С.
50–53 (0,2/0,1 п. л.) 14.Смочкин, В. С. Исследование структуры нанокомпозиционного ни кель-фосфорного покрытия / В. В. Сафонов, С. А. Шишурин, В. С. Смочкин // Энергосберегающие технологии и техника в АПК : сборник материалов к Межрег. выст. – конф. – Саратов, – 2011. – С. 84–87 (0,3/0,13 п. л) 15.Смочкин, В. С. Наномодифицированые никель-фосфорные покрытия с улучшенными эксплуатационными свойствами / В. В. Сафонов, С. А. Ши шурин, В. С. Смочкин // Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвя щенной 75-летию профессора Рыбалко А. Г. – Саратов, – 2011. – С. 34– (0,13/0,07 п. л).
16.Смочкин, В. С. Износостойкость нанокомпозиционных никель фосфорных покрытий / В. В. Сафонов, С. А. Шишурин, В. С. Смочкин // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания :
материалы Межгос. науч.-техн. семинара. – Саратов, – 2011.– С. 115– (0,2/0,09 п. л.) Патенты 17.Пат. № 2465374 Российская Федерация, МПК С25D15/00. Раствор для химического осаждения композиционных никелевых покрытий / В. В. Сафо нов, С. А. Шишурин, В. С. Смочкин. – № 2011111482 ;
заявл. 25.03.2011;
опубл. 27.10.2012, Бюл. изоб. №23 (0,25/0,04).
Подписано в печать 25.02.2013.
Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times.
Печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 536/ Типография ООО «МАКСИ-ПРИНТ»
410056 г. Саратов, ул. Пугачева,