Підвищення довговічності насосних агрегатів для зрошення комбінованими екологічно безпечними технологічними методами

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-технічної проблеми в області галузевого машинобудування: розробці інноваційних, короткотривалих, енергоощадних та екологічно безпечних технологій поверхневого зміцнення та ремонту деталей насосних агрегатів, задіяних в системах зрошення. Вирішення цієї проблеми дозволить забезпечити підвищення надійності та довговічності машин за рахунок збільшення терміну служби їхніх робочих органів, при зниженні енерговитрат, що дуже важливо для сучасної України. Обʼєкт дослідження – технологічний процес формування функціональних покриттів на поверхні деталей насосних агрегатів та їхніх елементів, задіяних в системах зрошення. Предмет дослідження – закономірності технологічного процесу формування поверхневого шару із заданими експлуатаційними властивостями, що забезпечують необхідну якість (довговічність, екологічну безпеку, зносостійкість, працездатність) деталей насосних агрегатів, задіяних в системах зрошення. Метою роботи є підвищення довговічності насосних агрегатів, що використовують в зрошувальному землеробстві, шляхом удосконалення технології виготовлення та відновлення їхніх деталей за рахунок використання ефективних та екологічно безпечних технологій формування захисних покриттів та модернізації приводу і з’єднувальної муфти.

Завдання для дослідження: 1. Розробити систему спрямованого вибору технології нанесення бабітового покриття на вкладиші ПК. 2. Удосконалити технологію зміцнення та відновлення поверхонь валів, що зношуються в процесі роботи відцентрових насосів, за рахунок використання екологічно безпечних технологій ЕІЛ, ППД і нанесенням МПМ та їх комбінацій. 3. Розробити математичну модель зносу бабітових покриттів вкладишів ПК. 4. Розробити математичну модель відновлення бабітових покриттів вкладишів ПК. 5. Провести модернізацію насосних агрегатів шляхом заміни зубчастої муфти на більш прогресивну пружну муфту з гнучкими елементами. 6. Розробити і впровадити у виробництво нову екологічно безпечну технологію виготовлення та відновлення деталей насосних агрегатів, які використовують в зрошувальному землеробстві. У вступі обґрунтовано вибір теми дисертації та наукових завдань, сформульовані мета та завдання дослідження, визначені наукова новизна й практичне значення одержаних результатів, а також подана інформація про апробацію, структуру та обсяг роботи. У першому розділі на підставі аналізу будови машин системи зрошувального землеробства України, задіяних в різних способах введення води в ґрунт, було показано, що найбільш важливими і відповідальними для забезпечення якісного зрошування є НА, складовими частинами якого є електродвигуни, муфти і відцентрові насоси. Було вказано, що всі вузли і деталі НА працюють у важких умовах абразивного, корозійного та інших видів зносу. Методи виготовлення і ремонту деталей є екологічно небезпечними, а окремі вузли, потребують модернізації. Все це дозволило сформулювати мету й завдання для проведення досліджень. У другому розділі з метою підвищення надійності та довговічності НА розроблено систему спрямованого вибору екологічно безпечної та найбільш раціональної технології підвищення якості поверхонь їхніх деталей. При цьому враховують усі стадії їхнього життєвого циклу, а також економічні та екологічні вимоги. На підставі встановленої кореляційної залежності між зносом бабітових покриттів підшипників ковзання (ПК) відцентрових насосів та роботою, затраченою на тертя, запропоновано фізично обґрунтовану математичну модель процесу зносу (рівняння зносу), яка дозволяє вирішувати як пряму задачу – визначати ваговий та лінійний знос за відомою роботою тертя, так і зворотну – знаходити необхідну роботу тертя для отримання того чи іншого зносу. Знаючи час досягнення певної величини зносу, з’являється можливість більш раціональної експлуатації виробів, своєчасно призначаючи час ремонту не допускаючи до катастрофічного зносу поверхню тертя. В процесі виконання досліджень розроблено методику визначення констант рівняння зносу: енергії активації (ЕА), а також максимального вагового та лінійного зносу, які можуть бути використані, як критерії вибору найбільш раціональної технології нанесення бабітового покриття. Третій розділ присвячений методиці експериментальних досліджень впливу різних технологій на якість поверхонь деталей НА, задіяних в системі зрошувального землеробства. Були розглянуті особливості технології ЕІЛ при реновації бабітових покрить ПК відцентрових насосів НА. Розроблено гаму методів, спрямованих на удосконалення поверхневих шарів деталей НА як при виготовленні так і при реновації. При цьому, переважно використовували комбінації з екологічно безпечних та мало затратних методів: ЕІЛ, обробка кулькою (ОК), безабразивна ультразвукова фінішна обробка (БУФО), нанесення МПМ. Стійкість шийок валів під ПК і бабітових покрить, нанесених за різною технологією, оцінювали по втраті ваги та зменшені товщини зразка на машині тертя СМЦ-2 за схемою «диск-колодка, а відносну зносостійкість зразків для відновлення посадкових поверхонь валу – «диск – плоский зразок». У четвертому розділі з метою підвищення надійності та довговічності НА, запропоновано ряд нових технологій покращення якості поверхневих шарів їхніх деталей. Так, удосконалений метод ЦЕІЛ підшипникових шийок валів роторів відцентрових насосів, при якому в сталі 20 зменшується шорсткість поверхні з Rа = 9,0 до 3,2 мкм; збільшуються суцільність легованого шару з 80 до 100%, глибина дифузійної зони вуглецю з 35 до 70 мкм, мікротвердість «білого» шару і його товщина відповідно з 8492 до 10796 МПа і з 60 до 230 мкм. При заміні сталі 20 на сталь 40Х і 30Х13 мікротвердість «білого» шару і його товщина збільшується, відповідно до 11823 і 10991 МПа та 240 і 240 мкм. Запропонований новий спосіб сульфомолібденування методом ЕІЛ шийок валів ПК, використання якого при енергії розряду Wр =3,4 Дж призводить до появи в поверхневому шарі сталі 40 до 30% мартенситної фази, до 6% залишкового аустеніту (ГЦК фази), а також до 5% дисульфіду молібдену. Було запропоновано новий спосіб формування методом ЕІЛ на посадочних поверхнях валів зносостійких покрить складу Al-C-B, при нанесенні яких з підвищенням енергії розряду збільшується мікротвердість «білого» шару: при Wр=0,13 Дж - Нμ = 6487 МПа, а при Wр = 4,9 Дж - 12350 МПа. Порівняльними дослідженнями на машині тертя СМЦ-2 встановлено, що для підшипникових шийок валів ваговий та лінійний знос круглих зразків з шліфованої сталі 40Х більший чим сталі 30Х13, відповідно в 1,15 і 1,09 рази. Найменший ваговий і лінійний знос у зразків зі сталі 30Х13 з покриттям складу (Мо+S) і БУФО складає, відповідно 0,013·10 -3 кг і 0,90 мкм. Для посадкових шийок валів найкращу зносостійкість показали зразки зі сталі 30Х13, зміцнені в послідовності ЕІЛ (Al-C-B) → БУФО, ваговий і лінійний знос яких після 8 годин випробувань склав, відповідно, 0,105х10-3кг і 1,645 мкм. У п’ятому розділі розроблені технологічні рекомендації з впровадження результатів проведених досліджень у виробництво. Для відновлення, зруйнованого після перешліфовки підшипникової шийки, шару підвищеної твердості, запропонований новий екологічно безпечний спосіб нітроцементації, який включає ЦЕІЛ, що супроводжується подачею в зону легування азоту. Процес нітроцементації характеризується підвищенням мікротвердості з 10500 до 10600 МПа, плавним зниженням її у перехідній зоні, збільшенням глибини зони підвищеної твердості з 120 до 150 мкм, а також зменшенням шорсткості поверхні Ra, з 0,7 до 0,6 мкм. Запропоновано новий екологічно безпечний спосіб формування зносостійких товстошарових комбінованих електроіскрових покриттів на зношених поверхнях посадкових шийок валів роторів відцентрових насосів, який дозволяє формувати відновлені поверхневі шари товщиною 1,5 мм, суцільністю 100 %, мікротвердістю 10100 МПа і шорсткістю Rа=1,2 мкм. Товщину покриття можна збільшити за рахунок нанесення методом ЕІЛ перед ЦЕІЛ сталі 08X15Н5Д2Т. З метою покращення ремонту ПК: виявлені залежності характеристик якості поверхневих шарів бабітових покриттів, відновлюваних методом ЕІЛ від енергії розряду, що дозволило проводити реновацію виробів з бабітовими покриттями; запропоновані фізично обґрунтовані математичні моделі (рівняння масопереносу та прогнозування шорсткості поверхневого шару), що дозволяє за енергетичними параметрами обладнання ЕІЛ визначати основні технологічні параметри якості сформованого шару: кількість перенесеного матеріалу, збільшення його товщини та шорсткість поверхні; розроблено методику визначення констант рівнянь масопереносу (енергії активації процесу масопереносу, привіску ваги та приросту товщини нанесеного шару, а також рівняння прогнозування шорсткості поверхні (максимальної шорсткості та енергії активації процесу її формування), які можуть служити критеріями вибору найбільш раціональної технології реновації бабітових покриттів. У результаті аналізу умов експлуатації технологічного обладнання, задіяного в технологічному циклі зрошення запропоновано проблеми герметичності підшипникових вузлів приводів НА, було вирішено за рахунок їх модернізації шляхом впровадження нового типу ущільнень – магніторідинних герметизаторів. З метою заміни традиційних зубчастих і втулочно-пальцьових муфт, що використовують в НА, задіяних в технологічному циклі зрошення, на пружні муфти (ПМ) з гнучкими елементами, які у порівнянні з вище названими, мають ряд важливих переваг: можливість компенсувати радіальні неспіввісності і перекоси валів приводу і агрегату, безшумні в роботі, не вимагають мастила і обслуговування в процесі експлуатації, були проведені дослідження направлені на удосконалення останніх. Дослідженнями зносостійкості гнучких елементів ПМ, сформованих в пакети за новим способом, встановлено, що при застосуванні металомастильних матеріалів у вигляді парафіну з добавками з міді, дисульфіду молібдену і графіту, знос від фретинг-корозії (Ф-К), у порівнянні з прототипом, зменшується на 50%. Для захисту від Ф-К кріпильних деталей ПМ запропонований спосіб епіламування після якого параметри шорсткості поверхонь (Rа, Rz і Rmах), оброблених методом епіламіювання, у порівнянні з необробленими, знизились, відповідно, в 1,55; 1,53 і 1,39 рази. Запропонований спосіб не тільки значно підвищує зносостійкість сполучених деталей, а і знижує собівартість процесу. Отриманні в дійсній роботі технологічні рішення, що використовуються екологічно і техногенно безпечними методами, впроваджені на Комунальному підприємстві «Міськводоканал» Сумської міської ради; ПАТ «Сумихімпром» та ТОВ «ТРІЗ ЛТД», м. Суми із загальним очікуваним економічним ефектом 856000 (вісімсот п’ятдесят шість тисяч) гривен. Відповідно до поставленої мети та задач у роботі отримані такі результати: 1. Аналіз сучасного стану інженерної інфраструктури системи зрошувального землеробства в південних регіонах України виявив безліч значних недоліків, пов’язаних з недостатнім розумінням ролі технічної підсистеми, проблемами з кадровим персоналом, некомпетентною експлуатацією, обслуговуванням та ремонтом устаткування, які в результаті стримують використання екологічно безпечних і ресурсозберігаючих технологій, без яких неможливо отримувати високорентабельну продукцію з низькою собівартістю. Результатом, представлених в роботі досліджень, стала низка комбінованих екологічно безпечних технологій, застосовування яких дає можливість усунути означені вище недоліки та провести модернізації обладнання зрошувальних систем. 2. Для забезпечення стабільної і безаварійної роботи НА, які використовують при зрошенні, удосконалена технологія забезпечення необхідних параметрів якості підшипникових і посадкових шийок валів ВН, що досягається за рахунок використання екологічно безпечних методів ЕІЛ, ППД і нанесення МПМ. Так, для підшипникових шийок валів роторів ВН запропоновані нові способи цементації та нанесення сульфомолібденових покриттів (патенти України на корисну модель № 142822 і 144932), використання яких крім зниження шорсткості поверхні з Rа = 8,3 до 3,2 мкм, збільшення суцільності легованого шару з 80 до 100%, товщини «білого» шару з 60 до 230 мкм і його мікротвердості до 10796 МПа при цементації, при нанесенні сульфомолібденових покриттів забезпечує мікротвердість «білого» шару до 10731 МПа і наявність в поверхневому шарі до 5% дисульфіду молібдену. Для реновації зруйнованого шару шийок ПК запропонований екологічно безпечний спосіб нітроцементації, використання якого забезпечує створення зміцненого шару до 150 мкм з мікротвердістю на поверхні до 10600 МПа і зменшення шорсткості, Ra до 0,6 мкм. Для виготовлення посадкових шийок валів запропонований новий спосіб зміцнення їхніх поверхонь методом ЕІЛ, шляхом нанесення покрить складу Al-C-B, а для їхньої реновації після зношування новий екологічно безпечний спосіб нанесення КЕП, товщина яких сягає більше 1,5 мм, суцільність досягає 100 %, мікротвердість 10100 МПа і шорсткість Rа=1,20 мкм (патенти України на корисну модель № 148495, 141919 і 141920). 3. Виявлена кореляційна залежність зносу бабітових вкладишів ПК від роботи тертя, що дало можливість розробити математичну модель (рівняння зносу), при використанні якої можливо вирішувати, як пряму задачу – знаходити величину зносу бабітового покриття, нанесеного різними методами по відомій роботі тертя, так і зворотну – визначати необхідну роботу для зношування певної кількості бабітового покриття. Запропонована методика визначення констант рівняння зносу стала певними критеріями при визначенні більш раціональної технології нанесення бабітових покриттів вкладишів ПК. 4. Була удосконалена технологія реновації вкладишів бабітових ПК, шляхом встановлення кореляційної залежності між енергетичними режимами ЕІЛ і параметрами якості нанесених поверхневих бабітових шарів (товщиною, нанесеного шару бабіту та шорсткістю сформованого шару), що дозволило розробити математичні моделі (рівняння масопереносу та рівняння прогнозування параметрів шорсткості поверхневого шару), при використанні яких можливо вирішувати, як пряму задачу – по відомим параметрам товщини бабітового шару, необхідного для відновлення зношеної ділянки поверхні і його шорсткості визначати необхідні для цього енергетичні параметри обладнання ЕІЛ, так і зворотну – по відомим енергетичним параметрам обладнання ЕІЛ визначати параметри якості поверхневого бабітового шару (товщину і шорсткість), який буде сформований. Також запропонована методика визначення констант рівняння масопереносу та рівняння прогнозування параметрів шорсткості поверхневого шару, які є певними критеріями при визначенні більш раціональної технології відновлення зношених поверхонь бабітових покриттів вкладишів ПК. 5. Для можливості використання пружних муфт в НА, задіяних в зрошувальному землеробстві були удосконалені технології захисту поверхонь їхніх деталей від Ф-К (патенти України на корисну модель №151426 і 142811). Так поверхні гнучких елементів покривають мастильним матеріалом, в склад якого запропоновано додатково вводить порошок з графіту, що забезпечує до 50% зменшення їх зношування, а кріпильні деталі муфти обробляють в середовищі епіламу, що дозволяє до 3 разів зменшити коефіцієнт тертя і як результат знизити процес Ф-К. 6. Екологічно безпечні, енергоощадні комбіновані технології виготовлення та реновації деталей НА зрошувального землеробства, захищені 11 патентами України і впроваджені у виробництво з очікуваним економічним ефектом 856 тис. грн. Наукова новизна одержаних результатів: 1. Вперше науково обґрунтовано та узгоджено параметри розробленої системи спрямованого вибору найбільш ефективних, екологічно та техногенно безпечних технологій підвищення якості поверхневих шарів деталей, при виготовленні насосних агрегатів (НА). 2. Вперше на підставі встановлених кореляційних залежностей між роботою тертя та зносом поверхневих шарів бабітових покритів, сформованих різними способами на вкладишах підшипників ковзання (ПК), фізично обґрунтовано функціональні зв’язки між основними параметрами процесу зносу (рівняння зносу), що дозволяє по роботі тертя визначати лінійний та ваговий знос бабітового покриття, а також вирішувати зворотну задачу, що дозволяє знайти величину роботи тертя, необхідну для здійснення зносу певної кількості речовини або для отримання необхідного лінійного зносу. 3. Вперше аналітично описано як процес руйнування так і відновлення бабітового покриття підшипників ковзання. 4. Вперше для різних матеріалів пар тертя (бабітовий вкладиш – шийка ПК) обґрунтовано розроблену методику визначення констант рівняння зносу: найбільшого вагового та лінійного зносу, відповідно (mmax) та (hmax), а також енергію активації процесу зношування ЕА, які можуть бути критеріями вибору найбільш раціональної технології підвищення довговічності ПК. 5. Вперше обґрунтовано розроблений і апробований новий спосіб цементації методом ЕІЛ стальних поверхонь при якому легування вуглецем відбувається компактним електродом-інструментом з графіту та графітовим порошком, що дозволяє в порівнянні з аналогами зменшити шорсткість поверхні з Rа = 8,3-9,0 до 3,2-4,8 мкм; збільшити суцільність легованого шару з 80 до 100%; мікротвердість «білого» шару і його товщину, відповідно з 8492 до 10796 МПа і з 60 до 230 мкм (патент України на корисну модель № 142822). 6. Вперше встановлені взаємозв’язки між параметрами обладнання ЕІЛ та параметрами якості поверхневих шарів деталей, що дозволило на стальну поверхню наносити методом ЕІЛ сульфомолібденове покриття, яке у своєму складі містить до 5% дисульфіду молібдену (MoS2), який є сухою змащувальною речовиною і наявність якого в поверхневому шарі встановлено рентгеноструктурним аналізом (патент України на корисну модель №144932). Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці ряду технологічних рекомендацій виготовлення, реновації та модернізації деталей і вузлів НА, задіяних в системах зрошувального землеробства, використання яких дозволить збільшити їх надійність та довговічність. Отриманні в роботі технологічні рішення, захищені 11 патентами і впроваджені на Комунальному підприємстві «Міськводоканал» Сумської міської ради; ПАТ «Сумихімпром» та ТОВ «ТРІЗ ЛТД», м. Суми із загальним очікуваним економічним ефектом 856000 (вісімсот п’ятдесят шість тисяч) гривен. Розробки, які виконані в дисертаційній роботі, впроваджені в навчальний процес кафедри технічного сервісу Сумського національного аграрного університету і використовуються при викладанні дисциплін «Матеріалознавство і ТКМ», «Технологія машинобудування в галузі» і «Триботехнологія», а також кафедри комп’ютерної механіки імені Володимира Марцинковського Сумського державного університету і використовуються при викладанні дисциплін «Трибомеханіка та основи контактної механіки» і «Конструкції та розрахунок підшипників ковзання» для студентів спеціальності 131 «Прикладна механіка» (освітня програма «Комп’ютерний інжиніринг в механіці»). Основні результати дисертаційної роботи, їхні узагальнення, викладені наукові положення та висновки, що становлять сутність роботи, отримані та сформульовані автором самостійно.