Повышение долговечности трибосопряжений компрессоров применением комплексных покрытий (на примере автомобилей камаз)

Вид материала

Автореферат

Содержание Цыпцын Валерий Иванович Денисов Александр Сергеевич Чекмарев Василий Васильевич Общая характеристика работы Цель работы Предмет исследований Методика исследований Достоверность результатов Научные положения Научная новизна Практическая ценность работы Пути реализации работы. Структура и объем работы. Содержание работы С – коэффициент пропорциональности;  – пластичность; HB K1  при фиксированной температуре можно найти опытным путем, но мы определяем его аналитически, добавив несколько начальных ус Общие выводы Основные положения диссертации

Подобный материал:

• Тормозная система автомобилей семейства КамАЗ. Содержание, 341.78kb.
• Методические указания по проведению практических занятий по технической эксплуатации, 755.61kb.
• Прайс-лист на на техническую, эксплуатационно – ремонтную документацию по автомобилям, 510.88kb.
• Характеристика работ. Разборка грузовых автомобилей, кроме специальных и дизелей, легковых, 2586.17kb.
• Организация работы с электронной доверенностью, подписанной электронно-цифровой подписью, 32.16kb.
• Положение о проведении ежегодного городского конкурса «Лучший по професии» в номинации, 17.85kb.
• Гидроусилитель рулевого управления автомобиля Камаз-5320 Рис. Общая схема Камаз 5320, 503.75kb.
• Пояснительная записка к годовой бухгалтерской отчётности ОАО «тфк «камаз» за 2010 год, 780.86kb.
• С. А. Когогин Главный бухгалтер ОАО «камаз» А. А. Максимов Оглавление общие сведения, 1645.07kb.
• Акционерное Общество «камаз», 22.17kb.

На правах рукописи




Родин Николай Анатольевич


ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ КОМПРЕССОРОВ ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЛЕКСНЫХ ПОКРЫТИЙ

(НА ПРИМЕРЕ АВТОМОБИЛЕЙ КАМАЗ)


Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического
обслуживания в сельском хозяйстве


АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук


Саратов 2010

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

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

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

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

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


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


Ученый секретарь совета

по защите докторских и

кандидатских диссертаций Н.П. Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


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

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

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

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

Объект исследований – компрессор тормозной системы автомобилей КамАЗ.

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

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

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

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

Научные положения, выносимые на защиту:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

– повысить ресурс компрессоров на 40–50%;

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

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

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

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

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

– в ООО «Рубеж-Гео» (г. Саратов);

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

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

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

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

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

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


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Обработку результатов экспериментов производили методами математической статистики и ЭВМ.

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

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

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

(1)

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

Из (1) видно, что максимальное значение ресурса обеспечивается приработочным эффектом и высокой износостойкостью поверхностных слоев HB₁₍₂₎, HB₂₍₁₎. Таким образом, для повышения ресурса трибосопряжения необходимо наличие в поверхностных слоях деталей соединений с малым сопротивлением сдвигу, улучшающих приработку в начальный период работы, а в более глубоких слоях соединений высокой твердости, обеспечивающих износостойкость в установившемся режиме работы. Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют комплексные химические покрытия. Кроме того, такие покрытия обладают рядом других достоинств: низкотемпературный режим обработки (130–150 °С), что позволяет получать покрытия на сложнонапряженных и тонкостенных деталях без коробления последних; простота технологии нанесения покрытий; дешевизна и доступность химикатов и их экологичность.

Для создания математической модели изнашивания деталей трибосопряжения была использована компьютерная программа Simulink, которая является приложением к пакету MATLAB (Version 7.2.0.232, License Number 161051). При моделировании с использованием Simulink пользователь на экране из библиотеки стандартных или своих блоков создает математическую модель и осуществляет расчеты.

Структурная схема математической модели изменения износа во времени представлена на рис. 1.





Рисунок 1 – Структурная схема математической модели изменения износа


Блоки In1, In2 подсистемы являются ее входом. Сигнал, подаваемый на входной порт подсистемы через блок, передается внутрь подсистемы. В нашем случае входной порт In1 будет показывать величину HB твердости детали. Блок In2 передает значение пластичности поверхностного слоя δ. Блоки U0, U1 являются источниками линейно изменяющегося воздействия. Блок Saturation устанавливает значение износа, полученного при приработке. U_max – блок, содержащий значение максимального износа, останавливающий (блок Stop Simulation) работу модели при выполнении определенного равенства (блок Relational Operator). Блок Product выполняет умножение сигналов его входов. Out1 – блок, выводящий на виртуальный осциллограф U графики износа или на цифровой дисплей, отображающий значение сигнала в виде числа. Результат моделирования представлен на рис. 2.




Рисунок 2 – Графики износа поверхности: 1 – без покрытия, 2 – с покрытием


Также разработаны математические модели изменения температуры в зоне трения и момента от сил трения.

Формирование покрытия на поверхности детали происходит в ванне с раствором химически активных компонентов. За основу был выбран известный состав для сульфидирования, содержащий 48 % воды, 48 % NaOH, 1 % S, 1 % Na₂S, 2 % Na₂S₂O₃. Сульфидирование деталей производится при температуре 140–150 С в течение 50–60 мин. Однако это покрытие, сокращая время приработки трущихся поверхностей, не обеспечивает повышения их износостойкости в установившемся режиме. В ходе анализа химических веществ, способных образовывать с некоторыми металлами и их оксидами соединения высокой твердости, был выбран титан сернокислый Ti₂(SO₄)₃. Для повышения прирабатываемости был добавлен сульфид меди CuS, а для улучшения экологических параметров исключен серноватистокислый натрий, что также положительно сказалось на качестве наносимого покрытия.

При химико-математическом моделировании процесса нанесения антифрикционного износостойкого покрытия установлено взаимодействие компонентов ванны с поверхностью деталей, образующих новые структурные соединения, а также оптимальное соотношение химических компонентов в ванне. В основе построения химико-математической модели лежит основной закон теории химических реакций, гласящий, что скорость химических реакций при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций веществ, участвующих в реакции.

В результате химического взаимодействия основного металла и активных элементов ванны оксид титана TiO₂  выпадает в виде осадка и образует покрытие детали, поэтому учитываются только две реакции, в результате которых образуется TiO₂:


2Ti₂(SO4)₃ + 12NaOH = 4Ti(OH)₃ + 6Na₂SO₄,


4Ti(OH)₃ + O₂ = 4TiO₂ + 6H₂O.

Толщина покрытия Y(t) пропорциональна массе осадка TiO₂X(t), т.е. Y(t) = KX(t), где X(t) – зависимость массы осадка TiO₂ от времени; K – коэффициент пропорциональности.

Пусть в момент времени t в результате реакций получилось X(t) = TiO₂, причем X(t)=X₁(t)+X₂(t)

Учитывая молекулярные массы веществ, участвующих в приведенных выше реакциях: M(4Ti(OH)₃) = 395,6; M(Ti₂(SO₄)₃) = 767,6; M(6H₂O) = 108; M(12NaOH) = 480, а также сами эти реакции, определяем, что на получение X(t)  было израсходовано:

Ti₂(SO₄)₃ = ;

NaOH = .


Так как при образовании Ti(OH)₄ вода и кислород берутся в избытке, то можно считать, что масса Ti(OH)₄ пропорциональна времени. Преобразуя реакции, получаем новое уравнение:

2Ti₂(SO4)₃ + 12NaOH + O₂ = 4TiO₂ + 6Na₂SO₄ + 6H₂.


Исходя из основного закона теории химических реакций получим:

.


Коэффициент пропорциональности K₁  при фиксированной температуре можно найти опытным путем, но мы определяем его аналитически, добавив несколько начальных условий: X(0) = 0. Концентрации TiO₂ в момент времени t₁ = 0,5 мин; t₂= = 1 мин; t₃= 1,5 мин установлены опытным путем: X(0,5) = 0,1, X(1) = 0,2, X(1,5) = 0,3. Находим коэффициент K₁, воспользовавшись разностной схемой с шагом ∆t = 0,5, i = 0,12.

Получим среднее значение K₁ = 0,0013.

Тогда окончательно x = 0,0013[40 – 1,5x₁][400 – 0,9x₂].

В результате определено оптимальное содержание компонентов в ванне, химический состав которых обеспечивает образование комплексного покрытия с высокими триботехническими свойствами (табл. 1).

Таблица 1 – Состав ванны для титаномедьсульфидирования

Компонент	Массовая доля, %	Температура, °С	Время выдержки, мин
Вода H2O	51	140–150	50–60
Едкий натр NaOH	40
Сернистый натрий Na2S	1,9
Сульфид меди CuS	4,0
Титан сернокислый Ti2(SO4)3	3,1

Также опытным путем было установлено оптимальное время - 50–60 мин., необходимое для нанесения покрытия на поверхность деталей.

В четвертом разделе «Экспериментальные исследования и их результаты» приведены результаты триботехнических сравнительных испытаний на машине трения, а также результаты стендовых и эксплуатационных испытаний.

Испытания осуществляли согласно разработанной методике, изложенной в разделе 2. Результаты испытаний представлены на рис. 3–5.



Рисунок 3 – Изменение момента трения при испытании образцов на машине трения




Рисунок 4 – Изменение температуры при испытании образцов на машине трения


Как видно, наиболее эффективным оказалось титаномедьсульфидированное покрытие. Момент трения и температура поверхностных слоев в зоне трения стабилизировались уже через 90 мин при моменте трения 4–5 кНсм и температуре 40-45С, которые оставались постоянными до конца опыта.

Понижение температуры в процессе трения у модифицированных поверхностей можно объяснить тем, что суль­фидные соединения, расположенные в поверхностных слоях, способствуют устранению очагов схватывания, уменьшают и облегчают деформирование соприкасающихся микронеровностей, уменьшают разрушения микроконтак­тов под действием тангенциальных сил, а также лучше адсорбируют смазку на поверхности. При этом процесс приработки протекает без видимого схватывания. Площадь прилегания рабочих поверхностей образцов без покрытия при испытании достигала 85–90%, образцов с комплексными покрытиями – 95–100 %. Нагрузка схватывания увеличилась в 1,8 раза по сравнению с образцами без покрытия.

При этом установлено, что расхождение теоретически полученных значений с экспериментальными данными не превышало 8-10%.

На рис. 5 представлен износ образцов (колодка) при испытаниях на машине трения в течение 180 мин.




Рисунок 5 – Износ образцов (колодок) при испытании на машине трения, г


Снижение износа титаномедьсульфидированных образцов в 1,7 раза по сравнению с образцами без покрытия обусловливается наличием легкодеформируемых сульфидных соединений и образованием в более глубоких слоях соединений высокой твердости на основе титана.

Рентгенофазовый анализ показал, что исходный образец (без покрытия) состоит из -Fe. Обработанный образец более сложен по своему составу. На дифрактограмме появляются дополнительные пики, указывающие на наличие титана, сульфидов, а также меди. Толщина покрытия составила 1,1 мкм. После испытаний на машине трения глубина залегания соединений на основе титана увеличилась в 1,5 раза, что говорит о диффузии атомов титана вглубь матрицы образца. При этом титан внедряется в решетку железа, образуя соединения с общей кристаллографической решеткой типа интерметаллического соединения FeTi, обладающего высокой твердостью. Послойные замеры микротвердости титаномедьсульфидированных образцов показали, что твердость данных соединений на 30 – 50% выше твердости основного металла.

Оценку полученных при стендовых и эксплуатационных испытаниях результатов производили по величине массопотерь поршневых колец и линейного износа шатунных шеек коленчатого вала и цилиндров. Продолжительность эксплуатационных испытаний составляла 25–35 тыс. км. Результаты испытаний показали снижение износа соответствующих деталей экспериментальных компрессоров в 1,5–1,7 раза по сравнению с серийными (рис. 6–7).



Рисунок 6 – Результаты стендовых испытаний



Рисунок 7 – Результаты эксплуатационных испытаний

Это позволяет повысить прогнозируемый ресурс компрессоров автомобилей КамАЗ на 40-50%.

На рис. 8 представлена схема технологического процесса нанесения титаномедьсульфидированного покрытия.

Технология нанесения комплексного покрытия внедрена на ряде предприятий Саратова и Саратовской области.




Рисунок 8 – Схема технологического процесса титаномедьсульфидирования деталей компрессоров автомобилей КамАЗ


В пятом разделе «Технико-экономическая оценка результатов исследований» рассчитан экономический эффект от внедрения в производство комплексного покрытия. Он составляет 136 815 руб. при годовой производственной программе 500 компрессоров автомобилей КамАЗ.


ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных и патентных источников показал, что наибольший процент отказов автомобилей КамАЗ при эксплуатации приходится на двигатель – до 30 %, а на компрессор 8–10 %. Одними из наиболее «слабых» узлов компрессоров тормозной системы автомобилей КамАЗ являются трибосопряжения «поршневое кольцо – цилиндр» и «коленчатый вал – вкладыш».
   
2. Теоретически обоснован способ повышения долговечности ресурсоопределяющих трибосопряжений компрессоров. Применение комплексных химических покрытий позволяет увеличить их ресурс на 40–50 %.
   
3. Разработаны математическая модель изнашивания и химико-математическая модель процесса нанесения комплексного титаномедьсульфидированного покрытия на трущиеся детали компрессоров. При этом установлено, что расхождение теоретически полученных значений с экспериментальными данными не превышало 8-10%. Оптимизирован состав ванны для нанесения покрытия. Наиболее эффективно процесс модифицирования поверхностей деталей протекает при температуре 120-150С и продолжительности 50–60 мин.
   
4. Сравнительные триботехнические испытания на машине трения образцов без покрытия и с покрытием показали, что комплексное покрытие обеспечивает снижение момента от сил трения в 2 раза, ускорение процесса приработки в 1,5–1,8 раза и повышение износостойкости в 1,5-1,7 раза по сравнению с серийными образцами без покрытия. Противозадирная стойкость титаномедь­сульфидированных образцов в 2,2 раза выше, чем у образцов без покрытия и в 1,5–1,7 раза выше, чем у боросульфидированных и сульфомолибдированных образцов.
   
5. Рентгеноструктурными и металлографическими исследованиями установлена двухслойность комплексного покрытия: сульфидный слой улучшает прирабатываемость деталей с наименьшими начальными износами, а упрочненный слой повышает износостойкость трибосопряжения в установившемся режиме. Глубина диффузии атомов титана достигает 1,6 мкм, что способствует улучшению служебных свойств трибосопряжений.
   
6. Стендовые и эксплуатационные испытания компрессоров тормозной системы автомобилей КамАЗ в условиях предприятий г. Саратова и Саратовской области показали снижение износа их трущихся деталей при использовании комплексного титаномедьсульфидированного покрытия в 1,5–1,8 раза по сравнению с серийными, что позволяет повысить прогнозируемый ресурс компрессоров на 40-50%.
   
7. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан экономичный и несложный для осуществления в условиях производства технологический процесс упрочнения деталей низкотемпературным титаномедьсульфидированием, обосновано и подобрано оборудование для участка обработки деталей. При программе ремонта 500 компрессоров автомобилей КамАЗ в год экономический эффект от внедрения предлагаемой разработки составит 136815 руб.
   

Основные положения диссертации

опубликованы в следующих работах:

1. Родин, Н. А. Разработка и исследование покрытий, улучшающих приработку и упрочняющих трибосопряжения пневмокомпрессоров автомобилей КамАЗ / Н. А. Родин, В. И. Цыпцын // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. – 2009. № – 5. С. 66–70. (0,44 печ. л./ 0,22 печ. л.).
   
2. Родин, Н. А. Восстановление изношенных деталей машин путем нанесения комплексного сульфомолибденхро­мирующего покрытия / Н. А. Родин, М. В. Цыпцын, Н. М. Балыков // Современные технологии в машиностроении : сб. статей ; ПДЗ. – Пенза, 2004.– С. 32–34 (0,21 печ. л. / 0,07 печ. л.).
   
3. Родин, Н. А. Применение комплексных упрочняющих покрытий для восстановления изношенных деталей машин / Н. А Родин, В. И. Цыпцын // Проблемы эксплуатации автомобильного транспорта и других машин и пути их решения : сб. науч. трудов ; Саратовский ГТУ – Саратов, 2005. – С. 115–118 (0,16 печ. л./ 0,08 печ. л.).
   
4. Родин, Н. А. Комплексные покрытия как метод повышения ресурса трибосопряжений мобильной техники / Н. А. Родин, В. И. Цыпцын // материалы Международ. науч.-практич. конф., посвященной 70-летию со дня рождения проф. А.Г. Рыбалко. – Ч. 3 ; ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2006. – С. 37–39 (0,12 печ. л./ 0,06 печ. л.).
   
5. Родин, Н. А. Влияние физико-механических свойств покрытия на долговечность трибосопряжений пневмокомпрес­сора двигателя КамАЗ / Н. А. Родин // Всерос. науч.-практич. конф., посвященная 119-й годовщине со дня рождения Н.И. Вавилова. – Ч. 2 ; ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2006. – С. 45–47 (0,12 печ. л.).
   
6. Родин, Н. А. Теоретические предпосылки нанесения нанопокрытий на трибосопряжения пневмокомпрессоров / Н. А. Родин // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ : Межгос. науч.-техн. семинар ; ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Вып. 21 – Саратов, 2008 (0,22 печ. л.).
   
7. Родин, Н. А. Рекомендации по повышению ресурса и эффективности использования автотракторных дизелей и поршневых пневмокомпрессоров / В. И. Цыпцын, Н.А. Родин [и др.] // Научно-практические рекомендации. – Саратов: Изд-во ПМФ ФГУ «ВНИИ охраны и экономики труда» Росздрава, 2008. – 36 с. (1,8 печ. л./ 0,3 печ. л.).
   
8. Родин, Н. А. Износостойкость трибосопряжений пневмокомпрессора автомобиля КамАЗ и обоснование метода повышения их долговечности / Н. А. Родин [и др.] // Известия Самарской ГСХА : сб. науч. работ. – Самара : Книга, 2008 (0,35 печ. л./ 0,09 печ. л.).
   

Подписано в печать 19.08.2010.

Формат 60×84 ¹/₁₆. Бумага офсетная. Гарнитура Times.

Печ. л. 1,0. Тираж. 100. Заказ № 328.

ООО «Формат»

410003, г. Саратов, ул. Мясницкая, 54/1