Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время национальное сельское хозяйство использует малоэффективные технологии, что не позволяет России конкурировать на мировом рынке продовольствия. В связи с этим, одной из основных целей, поставленных Стратегией модернизации сельскохозяйственного производства России на период до 2020 г., определено повышение производительности труда при выполнении полевых и других видов работ не менее чем на 400 %.
Таких высоких показателей по росту производительности невозможно добиться без использования современных машин, а также систем автоматизации и механизации технологических операций. При этом конструкцию современных средств механизации невозможно представить без гидропривода (на сегодняшний день основными силовыми элементами, приводящими в движение рабочие органы сельскохозяйственной техники, являются гидромоторы и гидроцилиндры).
Обширное применение гидравлических систем обусловлено преимуществами гидропривода над электрическими и механическими передачами. К преимуществам можно отнести высокую удельную мощность, малые размеры, подавление вибраций, быстродействие, высокий коэффициент усиления, возможность бесступенчатого регулирования скорости рабочих органов, надежное предохранение от перегрузок и др.
Наряду с изложенными достоинствами, гидравлический привод имеет и определённые недостатки. Основным и наиболее значимым является низкая долговечность серийно выпускаемых в России сборочных единиц, таких как гидравлические распределители, гидроцилиндры, гидромоторы и гидронасосы, клапаны и др. Отказы элементов гидравлического привода составляют более 50 % от общего числа отказов технических систем сельскохозяйственных машин. При этом распределение неисправностей внутри системы выглядит следующим образом: отказы насосов и моторов от 11 до 20 %; отказы гидрораспределительных устройств от 15 до 30 %; отказы силовых цилиндров от 7 до 10 %.
В связи с этим эффективность применения гидрофицированных машин зависит от возможности обеспечения дешёвого и качественного технического сервиса, что невозможно без наличия качественных запасных частей.
Вопрос обеспеченности запасными частями является серьёзной проблемой как для России, так и для стран ближнего зарубежья. Запасные части для отечественной техники часто выбраковываются при выполнении сборочных
работ из-за низкого качества. Кроме того, они не могут обеспечить ресурса узлов, соответствующего ресурсу зарубежных аналогов.
Новые запасные части для импортной техники обходятся эксплуатирующей стороне очень дорого. Это связано с высокой стоимостью деталей и низкой обеспеченностью сельскохозяйственных мастерских и ремонтно-технических предприятий необходимой номенклатурой.
Представленная работа направлена на создание и внедрение в ремонтное производство высокоэффективных процессов восстановления и упрочнения деталей, которые не только решат проблему обеспеченности техники дешёвыми запасными частями, но и позволят повысить надежность узлов гидропривода в целом.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время вопросами восстановления и повышения надежности указанных узлов гидропривода и других деталей сельскохозяйственной техники активно занимаются научные подразделения вузов, конструкторские отделы заводов-изготовителей, отраслевые НИИ.
Однако проблемы восстановления и упрочнения деталей гидравлических систем решаются медленно в связи со сложностью внедрения имеющихся технологий и нежеланием российских фирм вкладывать значительные средства в развитие и внедрение инновационных процессов.
Соответственно, с целью обеспечения высоких технико-экономических показателей при эксплуатации гидрофицированных машин, необходимо решать проблему восстановления изношенных деталей с одновременным повышением эксплуатационных свойств восстанавливаемых поверхностей. При этом разрабатываемые технологии должны отличаться низкой энергоёмкостью, малыми капитальными вложениями на реализацию внедрения и высокой эффективностью с точки зрения упрочнения восстанавливаемых поверхностей.
Среди наиболее перспективных технологий упрочнения и восстановления большого внимания заслуживает CVD-метод металлоорганических соединений (МОС).
При сравнении метода химической газофазной металлизации с широко распространёнными способами нанесения покрытий (диффузионной металлизацией, гальваническим осаждением, плазменным и газопламенным напылением, лазерной наплавкой и др.), можно выделить следующие преимущества:
простота технологического оборудования;
низкая энергоёмкость процессов;
высокая скорость формирования покрытий (8-10 мкм/мин);
отсутствие пор в покрытии (высокая плотность);
шероховатость покрытий в пределах Ra = 0,2-0,4 мкм;
возможность получать покрытия на внутренних поверхностях деталей и деталях сложной формы;
возможность получения покрытий с высокими значениями микротвёрдости (до 21 ГПа при использовании в качестве реагента Сг(СО)б);
прочность сцепления покрытия с основой до 260 МПа;
низкая температура ведения металлизации (от 70 до 650 С);
технологическая возможность организации процесса в замкнутом цикле;
возможность полной автоматизации;
возможность получения покрытий на неметаллических подложках, например на углеродных волокнах, полимерных материалах и технической керамике.
Несмотря на все преимущества покрытий, полученных из газовой фазы, внедрение CVD-метода в ремонтное производство сдерживается недостаточным объёмом теоретических и технологических основ для восстановления и упрочнения деталей, имеющих износ, превышающий 0,1 мм. Применение в этом случае однослойных покрытий на основе кобальта, молибдена, хрома или других материалов, обеспечивающих высокую износостойкость, становится нецелесообразным в связи с высокой стоимостью реагентов.
Поэтому исследования в области создания технологии восстановления и упрочнения поверхностей многослойными CVD-покрытиями (с использованием для первого слоя дешевых реагентов, позволяющих восстановить геометрические размеры и получить хорошую адгезию, а для второго - материалов, обеспечивающих эксплуатационные свойства) являются актуальными и позволят решить проблему получения качественных запасных частей с минимальными материальными затратами.
Цели и задачи исследования. Разработать научные и технологические основы применения метода химической газофазной металлизации для получения износостойких покрытий с заранее заданными свойствами на подложках из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей. Разработать теоретические основы обеспечения равномерности распределения покрытия по подложке. Обосновать возможность применения CVD-покрытий для восстановления и упрочнения деталей гидравлических систем сельскохозяйственной техники. Создать универсальную энергоэффективную и экологически безопасную технологию восстановления и упрочнения деталей гидравлических систем, имеющих износ поверхности до 0,25 мм.
Научная новизна заключается в разработке основ получения многослойных CVD-покрытий с заданными значениями микротвёрдости (в пределах 9–18 ГПа) с обеспечением требуемой равномерности роста по всей поверхности подложки. Создание технологических основ, необходимых для применения CVD-покрытий в области восстановления и упрочнения деталей гидравлических систем с износами, достигающими 0,25 мм.
Теоретическая и практическая значимость работы:
разработана методика получения CVD-покрытий с заранее заданными химическим составом, механическими свойствами и равномерностью распределения покрытий по подложке;
CVD-методом металлоорганических соединений получены хромовые, карбидохромовые, никелевые, железоникелевые и хроможелезоникелевые покрытия (Патенты РФ на изобретение № 2626126, № 2456373), отвечающие высоким требованиям по прочности сцепления, износостойкости и экологической безопасности;
разработана методика нанесения функциональных покрытий на подложки из конструкционных сталей;
разработан технологический процесс упрочнения и восстановления деталей гидравлических систем, позволяющий повысить долговечность машин за счет формирования на рабочих поверхностях деталей покрытий с заданными эксплуатационными свойствами;
апробирована разработанная технология восстановления и упрочнения деталей гидравлических систем сельскохозяйственной техники, при этом установлено повышение ресурса восстановленных деталей до 80%.
Разработанные технологии восстановления и упрочнения деталей гидропривода одобрены на заседании Научно-технического совета Министерства сельского хозяйства Российской Федерации, а также рекомендованы для внедрения на предприятиях технического сервиса. Результаты работы приняты к внедрению в ООО «Промсервис» г. Ржев, ООО Научно-производственное предприятие "ГИПЕРОН" г . Дмитров, и других предприятиях России. Упрочнённые и восстановленные детали используются на объектах аграрно-промышленного комплекса Тверской области, в том числе в ООО «Гусевское Оленинского ра йона. Материалы работы используются в учебном процессе сельскохозяйственных вузов Российской Федерации при подготовке магистров по специальности «Агроинженерия» и аспирантов по направлению «Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве», а также использовались
в учебном процессе Военно-технического университета Министерства обороны Российской Федерации.
Методология и методы исследования. При выполнении работы использовались общепринятые принципы и теории, применяемые при решении научно-исследовательских и производственных задач. При сборе информации и обработке полученных результатов использовались классические методы статистики. Измерения выполнялись с применением современных методов и аттестованных средств контроля. Математическое моделирование процесса выполнялось по методу Монте-Карло.
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты теоретического обоснования возможностей получения качественных многослойных CVD-покрытий с заранее заданным значением поверхностной твёрдости на подложках из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей;
результаты исследования механических и эксплуатационных свойств однослойных и многослойных CVD-покрытий, полученных на образцах из конструкционных сталей и деталях гидравлических систем (золотниках, штоках гидроцилиндров) сельскохозяйственной техники;
варианты технологического оснащения CVD-процесса при термическом разложении и осаждении МОС на металлические подложки;
разработанные способы получения CVD-покрытий, пригодные для восстановления и упрочнения деталей гидравлических систем (технологическое оснащение, режимы металлизации и составы газовой смеси), защищенные патентами Российской Федерации № 2456373, № 2626126;
методика получения оптимальных режимов металлизации и определения мест технологического размещения деталей в реакционной камере, обеспечивающие получение равномерного слоя с заданными значениями микротвёрдости на восстанавливаемых и упрочняемых поверхностях;
результаты производственных исследований, внедрения и технико-экономическая эффективность восстановления и упрочнения деталей с использованием МОС.
Степень достоверности и апробация результатов. Тематика исследований по указанной проблеме включалась в планы научно-исследовательской работы Тверской государственной сельскохозяйственной академии «Разработать новые инновационные технологии в растениеводстве и техническом сервисе» выполняемой в период с 2012 по 2015 гг.
Материалы диссертации доложены, обсуждены и одобрены в рамках следующих мероприятий:
Двенадцатая Международная научно-практическая конференция «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано - до макроуровня», г. Санкт-Петербург, Политехнический университет, 2010 год;
Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии как основа развития аграрного образования и АПК региона», г. Тверь, ТГСХА, 2010 год;
Международная научно-практическая конференция «Инновационные процессы – основа модели стратегического развития АПК в XXI веке», г. Тверь, ТГСХА, 2011 год;
Межрегиональная научно-техническая конференция «Интеграция науки и образования – производству, экономике», г. Тверь, ТвГТУ, 2012 год;
Всероссийская научно-практическая конференция «Инновационные и нанотехнологии в системе стратегического развития АПК региона», г. Тверь, ТГСХА, 2013 год;
XXXVIII научно-практическая конференция «Инновационные материалы, технологии и социально-экономические аспекты развития экономики и обороноспособности Российской Федерации», г. Балашиха, ВТУ Министерства обороны Российской Федерации, 2013 год;
Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы освоения новой техники, технологий, организации технического сервиса в АПК», г. Минск, БГАТУ, 2014 год;
Международная научная конференция «Аграрное образование и наука в 21 веке: вызовы и проблемы развития», г. Москва, РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2015 год;
XLII Международная молодёжная научная конференция «Гагаринские чтения», г. Москва, Московский авиационный институт, 2016 год.
Публикации результатов исследований. Научные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 33 работах, в том числе: одна монография, д ва патента РФ на изобретение, 14 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 зарегистрированных отчета по научно-исследовательской работе, 10 публикаций по результатам работы научно-практических конференций, 3 публикации в рецензируемых научных изданиях.
Структура и объ ём диссертации. Диссертационная работа включает следующие разделы: введение, 5 глав, заключение, список литературы из 201 наименования, в том числе 14 источников на иностранном языке и 14 приложений, содержит 27 таблиц, 72 рисунка, изложена на 260 страницах.