Повышение долговечности узлов трения и трибосистем лесных машин применением металлосодержащих композиций

В условиях перехода к рыночной экономике в значительной степени обострилась проблема повышения ресурса и надежности лесных машин, уменьшения затрат на производство, эксплуатацию и ремонт, реализации прогрессивных технико-экономических решений в лесном комплексе. Качество и эффективность использования лесных машин и механизмов являются главными факторами развития лесного машиностроения и находятся в тесной связи с проблемами обеспечения минимально возможных износов деталей и затрат энергии на трение. Как показала экспертная оценка в лесном комплексе срок службы отремонтированных машин не превышает 40.60 процентов от нормативных показателей. Затраты на запасные части и материалы при капитальном ремонте составляют более 50 процентов от себестоимости ремонта, на изготовление запасных частей к автомобилям расходуется свыше 40 процентов, а к тракторам — около 5® процентов металла, необходимого длизготовления этих машин /14,77,79/. Расходы на поддержание техники в несколько раз превышают их начальную стоимость. По данным ЦНИИМЭ в общем объеме всех трудозатрат, идущих на заготовку X м3 древесины, затраты труда на техническое обслуживание и ремонт составляют 22.25 процентов, при этом качество ремонта машин на предприятиях лесной’промышленности низкое, что приводит к снижению их срока службы /31,35,43,46/.

В комплексе проблем повышения ресурса машин особое место определено проблеме снижения энергетических затрат в узлах трения и уменьшения износа. Важность этой проблемы обусловлена тем, что общие энергетические затраты на преодоление трения в той или иной форме составляют более 1/3 потребляемых энергетических мировых ресурсов. В работах /12,24,37,38,60/ отмечается, что главной причиной выхода из строя машин является не их поломка, а износ подвижных.

— 5 сопряжений и рабочих органов под влиянием сил трения, 80.90 процентов сопряжений машин выходят из строя вследствие износа, в 75 случаях из 100 выход из строя машин происходит по причине износа трущихся сопряжений. Традиционные конструктивные решения и применение общепринятых конструкционных и смазочных материалов оказались малоэффективными. В условиях физико-химического воздейсТ' вия смазочной среды повышение износостойкости металлических материалов возможно при осуществлении плакирования металлических поверхностей трущихся пар. Данное направление в полной мере относится к лесному машиностроению и ремонту машин. При этом становится актуальной проблема создания систем и процессов в условиях безремонтной их эксплуатации с учетом технологической разобщенности предприятий лесного комплекса, влияния природных и транспортных условий, ограничений по комбинированию и специализации производств /8,10,11,12,13,14,15,18,19,25,29,36,54,70,74,92/.

Важной характеристикой качества и надежности лесных машин являются затраты на эксплуатацию и ремонт, т. е. на поддержание и восстановление их работоспособное.-состояния и ресурса в процессе применения. Прогноз развития машиностроения указывает на необходимость преодоления сложившихся диспропорций распределения трудовых ресурсов на изготовление машин (1,4 процента), техническое обслуживание (45,4 процента), текущий ремонт (4,6 процента), капитальный ремонт (7,2 процента) при повышении надежности и износостойкости изделий машиностроения. Современная тенденция повышения износостойкости деталей заключается в создании между трущимися поверхностями разделяющего слоя смазки, локулизующего сдвиговые деформации и разрушение поверхностного слоя металла путем: самогенерирования защитных пленок на поверхности металла в результате воздействия сил трения и механических реакций, про.

— 6 текающих с участием среды, материалов и смазкисоздания искусственных покрытий и пленок. Возможности и границы применимости разнообразных методов направленного воздействия на поверхность определяются закономерностями изменения структуры и свойств упрочненных слоев при контактном взаимодействии. В процессе эксплуатации машин и механизмов уменьшение изнашивания деталей узлов трения возможно при образовании металлоплакирующей пленки на поверхности трения на основе металлоорганических комплексных соединений и ингиби-ровании цепного процесса окисления углеводородов смазочных материалов.

Цель работы. Повышение ресурса деталей узлов трения лесных машин в условиях применения постоянно действующего трибохимического режима в циркуляционных системах смазки и металлосодержащих композиций при обкатке двигателей после ремонта.

Научная новизна. Осуществление процессов малоизносного трения, снижение поверхностных деформаций обеспечивается при введении в зону трения химически активных реагентов, способствующих созданию поверхностных пленок мягких металлов и снижению градиентов сдвигового сопротивления.

Разработаны методики исследования механизмов процессов трения и изнашивания, позволяющие обосновать выбор состава металлосодержащей композиции (МСК) на основе молибдени медьсодержащих комплексных соединений, растворителей, фторсодержащих Поверхностно-активных веществ (ПАВ), при концентрации которой 2,0% в смазочной среде реализуется процесс металлоплакирования и постоянно действующего трибохимического режима (ПДТХР) в циркуляционной системе смазки при последовательном воздействии на смазочный материал сплавом натрий-олово и йодом.

Установлена теоретически и подтверждена экспериментально функ.

— 7 ционаяьная зависимость влияния технологических факторов на интенсивность изнашивания деталей. Экспериментально проверена и доказана адекватность разработанной модели авто компенсации износа деталей узлов трения в условиях применения МОЕ в смазочных материалах и ПДТХР в циркуляционных системах смазки лесных машин.

Практическая значимость работа. Созданы научно-обоснованные предпосылки для управления износостойкость©металлических материалов при трении в поверхностно-активных смазочных средах путем целенаправленной модификации поверхностей трения деталей.

Теоретические и экспериментальные исследования, базирующиеся на сформулированных в диссертации положениях позволили разработать эффективный способ повышения ресурса деталей узлов трения лесных машин при использовании М (Ж в смазочной среде и ПДТХР в циркуляционных системах смазки двигателей, снизить износ деталей узлов трения в 1,6 раза, стабилизировать физико-химические характеристики смазочной среды.

Разработаны рациональные режимы производства МСК и технология ДДТХР в циркуляционных системах смазки лесных машин. Результаты исследования могут быть использованы при ускоренной обкатке двигателей после ремонта ив циркуляционных системах смазки без конструктивных изменений серийного двигателя лесных машин, а также при дальнейших исследованиях систем регулирования процессов трения и изнашивания в условиях плакирования деталей узлов трения.

1а защиту выносятся следующие положения:

1. Система управления процессами трения и изнашивания применением плакирования поверхностей сопряжений узлов трения лесных машин;

2. Технология металлоплакирования поверхностей сопряжений узлов трения и методика проведения исследований металлоплакирования при лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаниях;

3. Научно-обоснованные рекомендации ремонтным заводом по сокращению времени обкатки двигателей после капитального ремонта к применении систем трибохимиче ского регулирования в циркуляционных системах смазки лесных машин" технических конференциях Санкт-Петербургской Государственной Лесотехнической академии в 1995;1998 гг., на международной конференции «Проблема развития лесного комплекса Северо-Западного региона» (г.Петрозаводск, 1996 г.), на 1-ой международной научно-технической конференции «Износостойкость машин» (г.Брянск, 1996 г.).

Результаты экспериментов проверялись в условиях Санкт-Петербургского экспериментального авторемонтного завода № 57, Кольского лесхоза, Сегежского НИХ.

Основные положения работы использовались при выполнении госбюджетной теш § 53 (заказ-наряд 1.5.96) «Управление качеством лесозаготовительных, лесохозяйственных машин и оборудования при проектировании, изготовлении, эксплуатации и ремонте» .

Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах, в отчетах по НМР Санкт-Петербургской Государственной Лесотехнической академии, имеющих номер государственной регистрации.

— 9.

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ШВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ УЗЛОВ ТРЕНИЯ ЛЕСНЫХ МАШИН И ОБОСНОВАНИЕ ВЬБОРА НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Результаты исследования масла М-вВ^, обработанного щелочными реагентами и йодом на машине трения.

Весовое соотношение натриевых и оловянных компонентов, соответственно.

Суммарный износ пары трения, мг.

Масло до Масло центрипосле фугироцент-вания рифу-гиро-вания.

Температура пары трения, °С.

Время приработки пары трения, мин.

Момент трения, Н-м.

В начале приВ конце приработки работки.

Масло до Масло В начал' центрипосле работки.

В начале приВ конце при-лябпФки работки фугироцентри- ;

Масло до Масло Масло до Масло вания фугироМасло до Масло Масло до Масло ттомф-пиггллтто гтнгппмпосле вания центрипосле центрипосле вания рифувания гиро-вания цент-рифу-гиро-вания фугиромасло до масло масло до шасло вания центрипосле центрипосле фугироцентфугироцентри-вания рифувания фугирорифу-гиро-вания вания.

Базовое масло М-8В0? 3,05 — 180 — 173 — 260 28 24.

Сплав 1:5 1,70 0,55 169 165 150 165 80 80 24 25 21 22.

Сплав 1:3 1,40 1,70 163 165 139 146 160 160 24 25 20 21.

Плав 3:1 0,60 2,30 162 159 130 144 240 60 24 24 19 21.

Плав 18:1 1,50 0,20 158 150 132 134 100 80 24 24 18 19 I и.

0 СО 1.

— 104 центрифугирования суммарный износ пары трения уменьшился в 3.7 раз. В маслах, обработанных сплавом 1:5 и плавом 18:1 после центрифугирования суммарный износ пары трения увеличился в 1,2.4 раза. Таким образом, при использовании сплава 1:3 и плава 3:1 процесс приработки пары с участием олова, обладающего плакирующими свойствами, а при использовании сплава 1:5 и плава 18:1 процесс приработки пары с участием олова, обладающего абразивными свойствами. Отобранные центрифугированием металлы незначительно влияют на температуру пары трения в начале приработки, а в конце приработки на установившемся режиме понижают ее на 2.15°С. Из обработанных масел наименьшую температуру поверхностных слоёв имеет пара трения при работе на маслах, обработанных плавом 3:1 и сплавом 1:3. Время приработки пар трения на обработанных маслах по сравнению с временем приработки пары трения на базовом масле уменьшилось: на маслах, обработанных сплавом 1:5 и плавом 18:1 — в 2,9 и 2,6 раза соответственнона масле, обработанном сплавом 1:3 -в 1,5 раза. На масле, обработанном плавом 3:1, время приработки не изменилось. Момент трения на обработанных маслах, как в начале так и в конце приработки пар трения был ниже, чем при испытаниях на базовом масле, причем момент трения в начале приработки при испытаниях на всех обработанных маслах одинаков, а в конце приработки на установившемся режиме у масел, обработанных плавами несколько ниже, чем у масел, обработанных сплавами.

Разработанные щелочные реагенты на основе гидроокиси натрия и двуокиси олова проявляют идентичные со сплавом натрий-олово физико-химические свойства в окисляемых минеральных маслах в присутствии иода. Дисперсные частицы сплава натрий-олово в соотношении 1:3 и плава гидроокиси натрия и двуокиси олова 3:1 обладают плакирующими свойствами при приработке пары трения, а дисперсные.

— 105 частицы сплава 1:5 и плава 18:1 обладают абразивными свойствами при приработке. Для применения в масляных системах двигателей определен состав плава в соотношении 3:1.

Щелочной реагент на основе плава гидроокиси натрия и двуокиси олова также, как и сплав натрий-олово увеличивает щелочность смазочного масла, в которой ингибирующее действие йода на окислительный процесс масла проявляется также, как и в маслах, обработанных сплавом натрий-олово.

Исследования на машине трения показали, что разработанный плав также, как и сплав натрий-олово, при применении базового масла М-8В2 снижает момент трения и уменьшает время приработки пары трения.

4.3. Разработка схемно-конструктивных устройств для создания постоянно действующего трибо-химичеекого режима в двигателях лесных машин.

Двигатель СМД-14М оснащен полнопоточной центрифугой с двухконтурной системой движения масла и частотой вращения ротора 5000. т.

5500 мин. Масло, нагнетаемое масляным насосом под давлением 0,55.0,70 МПа, поступает в ротор, где разделяется на два потока. Масло, движущееся по малому контуру, возвращается в нижнюю часть ротора, подвергается относительно неглубокой очистке и используется для гидропривода, сливаясь в картер в объеме (0,25.0,30)"Ю-3 м3/с. Масло, движущееся по большому контуру, поднимается вверх и за счет более длительного пребывания в зоне действия центробежных сил очищается полнее. Это масло поступает в главную масляную магистраль. Расход масла через ротор достигает 0,67*Ю" «3м3/с. Высокий темп накопления в моторном масле асфальтенов и оксикислот при центробежной очистке способствует интенсивному нагарои лакообра.

— 106 зованию, а следовательно, и блокированию маслоотводящей канализации поршневых колец.

Одним из путей продления срока службы моторного масла является способ периодического добавления в него присадок, заключающийся в том, что для восстановления моющих, антиокислительных и антикоррозионных свойств работающего масла в него добавляют по объёму от 3 до 6% присадки через каждые 120 часов. Хотя применение рекомендуемого режима смазки обеспечивает снижение износа двигателей, однако ввиду трудоёмкости работ и неудобства дозировки присадки он пока не получил широкого применения /13,46/.

Эффективность методов трибофизического и трибохимического регулирования процессов трения при использовании циркуляционных систем смазки может быть повышена, а ресурс работы смазочной композиции существенно увеличен при подаче в систеь^у активных реагентов, необходимых для осуществления самоорганизованного поведения трибо-системы. Одним из направлений решения этой проблемы является метод улучшения качества моторных масел и увеличения ресурсов деталей узлов трения, основанный на использовании йодистых фильтров-дозаторов и сплавов натрий-олово в масляных системах. Стабильность эксплуатационных свойств масла, а также повышение долговечности ДВС достигается созданием ГЩТХР в результате последовательного воздействия на масла сплавом натрий-олово, а затем йодом. Основным положением рассматриваемого метода является ингибирование окиеления моторного масла в результате участия йода в реакциях обрыва цепей радикального механизма окисления углеводородов масла, а также образования оловоорганических соединений, дополняющих ин-гибирущий эффект йода /75/.

Для лучшего контактирования сплава натрия-олова с иодом разработаны специальные устройства — аппараты стабилизации масла (АСМ).

— 107 горизонтального и вертикального типа, таблица 4.4 /65/.