ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ

АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

ТИМЧЕНКО МИКОЛА ІВАНОВИЧ

УДК 669. 717.

ВТОРИННІ АЛЮМІНІЄВІ СПЛАВИ ДЛЯ КОРПУСІВ ГІДРОНАСОСІВ З РІЗНИМ ЗАЛИШКОВИМ РЕСУРСОМ МАШИН

Спеціальність 05.02.01 – "Матеріалознавство"

АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Ремонт машин” Харківського державного технічного університету сільського господарства Міністерства аграрної політики України

Науковий керівник: - доктор технічних наук, професор

Скобло Тамара Семенівна,

Харківський державний технічний
університет сільського господарства,

професор кафедри “Ремонт машин.”

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор

Кальянов Владислав Миколайович,

Українська інженерно-педагогічна академія,

м. Харків, завідувач кафедри “Зварювальне виробництво”

- кандидат технічних наук, доцент

Мовлян Ада Олександрівна,

Харківський національний автомобільно-

дорожній університет, доцент кафедри

технології металів і матеріалознавства.

Провідна організація: – Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України (м. Харків), кафедра авіаційного матеріалознавства.

Захист дисертації відбудеться 10.06.2004 року о 14_годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .059.01 Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002, м. Харків-2, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці університету.

Автореферат розісланий 08.05..2004р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради І.В. Кияшко

3

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В теперішній час гостро стає питання підтримання робото- здатного стану парку сільськогосподарської техніки. Великі затрати йдуть на виготовлення нових деталей, якими замінюються зношені.

Щорічно на підприємствах агропромислового комплексу ремонтується велика кількість комбайнів, тракторів, автомобілів та їх двигунів. Брухт, який накопичується на цих підприємствах, може стати порівняно дешевою сировиною для створення на основі його переробки запасних частин необхідної номенклатури і якості. Особливо актуально в ринкових умовах є відновлення самих масових гідравлічних систем, наприклад, шестеренних гідронасосів типу НШ.

Відмови, знос і руйнування деталей гідронасосу відбуваються під дією багатьох причин та чинників. Головними з них є тертя та зношування поверхні деталей, і як слідство цього, вихід з ладу веденої та веденої шестерень гідронасосу, його корпусу. Тому ця деталь гідронасосу, яка має пошкодження та знос вище допустимих технологічних розмірів, не може бути відновлена традиційними методами (розточування, наплавлення та ін.).

При зношенні спряження шестірня-корпус гідронасосу особливе значення має збереження коштовної шестірні, тому при розточуванні її на наступний ремонтний розмір виникає необхідність зміни розмірів корпусу. Це можливо лише при його виготовленні з новими основними розмірами.

Для виготовлення таких корпусів гідронасосів у спеціалізованій майстерні є відпрацьовані корпуси насосів, інший брухт алюмінієвих деталей, що дозволяє одержувати необхідні сплави. Однак вони потребують жорсткого контролю. Виготовлені на ремонтному підприємстві корпуси в процесі багаторазового переплаву мали різний хімічний склад, що призвело до неухильного зниження основних легуючих і модифікуючих компонентів, які визначають їх стабільну експлуатаційну стійкість. Такі корпуси не забезпечували гарантійні показники якості.

У наукових працях вчених Ананіна С.Н, Бєлова А.Ф, Туманова А.Т, Ларінова Г.В, Радіна А.Я, Головіна М.Б, Рудлл Р.У, Сойміна Н.Я, Альтмана М.Б, Баранова А.А, Мікуляка О.П, Резнікова А.А та інших є свідчення ряду досліджень щодо обмеження широкого використання вторинних алюмінієвих сплавів для деталей, особливо відповідального призначення.

Разом з тим використання вторинних матеріалів потребує детального дослідження їх впливу на якість та експлуатаційні властивості деталей.

У зв'язку з цим проблема пошуку оптимальних шляхів рішення даної задачі потребує

4

наукового підходу, оскільки матеріали, що використовуються спеціалізованими підприємствами для виготовлення корпусів гідронасосів, в даному разі повинні застосовувати набори брухту алюмінієвих сплавів різних способів виготовлення з хімічним складом, що відрізняється від первинних.

Наукова та практична значимість невирішених проблем обумовила вибір теми, її актуальність і цільову спрямованість дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок досліджень дисертаційної роботи відповідає держбюджетній та господарчо–договірній тематиці ХГТУСХ, яка виконувалась у період 1990-2003 р.р.

Дана робота включена до реґіональної програми "Найважливіші проблеми АПК у період 1996-2005 р.". Результати проведених досліджень також знайшли відображення в науково-дослідній роботі, що у 1990-1994 р.р. фінансувалася на конкурсній основі (договір /07, тема ) Міністерством машинобудування, військово-промислового комплексу і конверсії України.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є прогнозування властивостей корпусів гідронасосів типу НШ, виготовлених з вторинних алюмінієвих сплавів, для використання при відновленні і технічному обслуговуванні сільськогосподарської техніки, яка відрізняється терміном випуску та має різний залишковий ресурс.

Для реалізації поставленої мети необхідно рішення задач:

- проаналізувати якість і експлуатаційні властивості корпусів гідронасосів з алюмінієвих сплавів різного способу та часу виробництва;

- оцінити структуру, фазовий склад і властивості виготовлених корпусів гідронасосів із вторинних алюмінієвих сплавів;

- встановити зв’язок хімічного складу вторинних, первинних і змішаних алюмінієвих сплавів з властивостями корпусів гідронасосів;

- обґрунтувати параметри термообробки та категорії якості корпусів насосів, оцінити їх наробіток і визначити вартість;

Рішення поставлених задач досягали побудовою прогнозуючих моделей з використанням методів оцінки зносостійкості, механічних властивостей, хімічного і металографічного аналізів.

Об'єкт досліджень – Корпусні деталі з вторинних алюмінієвих сплавів.

Предмет досліджень – Вторинні алюмінієві сплави, із яких виготовляються корпуси гідронасосів для машин з різним залишковим ресурсом.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої мети проаналізували причини виходу з експлуатації корпусів гідронасосів. Для забезпечення необхідного наробітку цієї деталі в процесі ремонту регулювали хімічним складом брухту, який використовували при виплавці і наступній термообробці.

5

Рішення поставлених задач досягали використанням методів оцінки ресурсу, зносостійкості, механічних властивостей сплавів, структури та фазового складу, а також побудовою прогнозуючих моделей, що дозволяють гарантувати наробіток корпусів гідронасосів.

Наукова новизна результатів досліджень:

- встановлені закономірності впливу хімічного складу на структуру, співвідношення фаз та властивості вторинних алюмінієвих сплавів, що дозволяє пропонувати їх для конкретної деталі залежно від залишкового ресурсу машин;

- розроблено та обґрунтовано п’ять категорій якості вторинних алюмінієвих сплавів з використанням запропонованих в роботі поправочних коефіцієнтів, які враховують хімічний склад та обумовлюють параметри термічної обробки;

- одержані математичні моделі для прогнозування заданих властивостей вторинних сплавів.

Практичне значення одержаних результатів. Визначена можливість виробництва й ефективного використання п'яти категорій якості корпусів гідронасосів при проведенні робіт по відновленню машин різного терміну експлуатації. При цьому вартість відновленого корпусу може бути мінімізована і визначена з розрахунку забезпечення залишкового ресурсу машини.

Виконані розробки знайшли відображення в нових технічних умовах для одержання корпусів гідронасосів з різним гарантованим наробітком, якими користуються споживачі відновленої техніки.

Реалізація результатів роботи. Результати роботи використовуються на Пересічанському РТП. Впровадження розробок по виробництву корпусів гідронасосів з різним залишковим ресурсом машини в обсязі 2144 шт. забезпечило економічний ефект, рівний 32,77 тис. грн./рік.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі відмов гідронасосів через вихід з ладу корпусів, дослідженні їх якості, розробці методик, що оцінюють їх ресурс, вартість цієї деталі, зробленої з різного брухту і хімічного складу, а також у розробці моделей, прогнозуючих властивості сплавів.

Апробація результатів дисертації. Результати проведених досліджень доповідалися на щорічних (1995–2003р.) науково-методичних конференціях ХГТУСХ, на міжнародних науково-практичних конференціях ХГТУСХ у 2000 р.: “Напрямки розвитку технічного сервісу в ХХІ сторіччі” і в 2001 р.: “Проблеми ефективного функціонування АПК в умовах нових форм господарювання”.

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 10 наукових праць (у фахових виданнях), у тому числі - 8 одноосібних.

6

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел (217 найменувань) і 10 додатків. Загальний обсяг роботи складає 233 с. Основна частина викладена на 168 с. тексту, в тому числі містить 42 табл. і 31 рис.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність обраного напрямку роботи, розглянуто стан проблеми, сформульована мета і задачі дослідження, наукова новизна, практична цінність отриманих результатів, їх реалізація в системі АПК України.

У першому розділі розглянуті властивості деталей з алюмінієвих сплавів, особливості технології їх виробництва, а також умови експлуатації сільськогосподарської техніки із шестеренними гідронасосами.

Аналізується стан питання по застосуванню, оцінці властивостей, експлуатаційної стійкості деталей, виготовлених із вторинних алюмінієвих сплавів.

Узагальнено дані про первинні і вторинні сплави, що застосовуються для виготовлення корпусів гідронасосів в залежності від методів їхнього виробництва й умов експлуатації.

Виявлено, що рівень фізико-механічних і експлуатаційних властивостей деталей із вторинних алюмінієвих сплавів істотно залежить від використаних шихтових матеріалів, їхніх спадкових властивостей, хімічного складу, газонасиченості при переробці і вони, в ряді випадків, мають більш низькі показники якості, чим виготовлені з первинних сплавів.

Одним з основних напрямків підвищення властивостей вторинних алюмінієвих сплавів є їхній хімічний склад, оптимальне легування та модифікування.

Для оцінки впливу хімічного складу і властивостей алюмінієвих сплавів використовують методи фізико-механічних випробовувань, а також статистичні методи для побудови математичних моделей.

Вони базуються на зв'язку хімічного складу з рівнем споживчих властивостей (міцність, твердість, зносостійкість та надійність деталі).

В другому розділі приведені методологія, матеріал і методики досліджень.

Розроблено методологію проведення досліджень, що включає вивчення причин і періоду відмов корпусів гідронасосів.

Для забезпечення заданого гарантованого наробітку вивчали вплив хімічного складу на рівень механічних і експлуатаційних властивостей корпусів, виготовлених з первинних, вторинних та змішаних сплавів шляхом побудови прогнозуючих моделей. При виробництві корпусів гідронасосів аналізували брухт і відходи корпусів гідронасосів різних способів виготовлення та їх експлуатаційну стійкість. Вони істотно відрізнялися хімічним складом і рівнем властивостей.

7

Оцінку хімічного складу досліджуваних сплавів, рівень їхніх механічних властивостей проводили за стандартними методиками.

Зносостійкість зразків у лабораторних умовах оцінювали на машині тертя МІ–1М, а характер, ступінь зносу і пошкоджуваності безпосередньо на корпусах насосів, що надходять на Пересічанське РТП Харківської області, яке відновлює таку техніку для 16 областей України.

На підставі досліджень термінів експлуатації сільськогосподарської техніки запропоновано використовувати п'ять категорій якості корпусів гідронасосів, які рекомендується виготовляти і встановлювати на машини при їх відновленні. Для цього слід переробляти алюмінієвий брухт, що мається на підприємстві. Для корпусів гідронасосів з різним залишковим ресурсом машини, розроблені і погоджені технічні умови на їхнє виготовлення.

У третьому розділі розглядається експлуатаційна стійкість корпусів гідронасосів. Виконано аналіз умов експлуатації шестеренних гідронасосів типу НШ 32У–2, що найчастіше використовуються у сільськогосподарській техніці. Узагальнено основні параметри їхньої експлуатації. Оцінено стійкість корпусів відносно гарантій спеціалізованих виробників. Показано, що гарантований виробником наробіток при експлуатації гідронасосів до 3000 мото-г. не досягається у експлуатації. Встановлено, що у східному регіоні України протягом року фактичний наробіток на комбайн складає 230-400, а на трактор - 1200-1300 мото-г.

Основними чинниками відмов корпусів є: 47,2% знос, 30% заклинення втулок та 11% руйнування хвостовика, що призводить до їх пошкодження. Лише 4,08% корпусів мали відмови з низької якості металу.

Зокрема, при надходженні гідронасосів на капітальний ремонт виявлені додаткові чинники необхідності заміни корпусів, які пов’язані зі зносом спряження (корпус-шестірня). Встановлено, що при значному зносі досить коштовної шестірні для подальшого її використання після розточування на наступний ремонтний розмір потребується виготовлення нового корпусу гідронасосу з відповідними параметрами.

Індивідуальний підхід при таких ситуаціях може бути здійснений тільки в умовах спеціалізованої майстерні.

Таким чином, до збільшення витрат на заміну корпусів гідронасосів за рахунок невиконання вимог експлуатації сільськогосподарських машин додається ще й потреба у їх виробництві при капітальному ремонті.

Залежно від терміну служби техніки, періоду проведення її капітального ремонту, технічного стану гідронасоса рекомендується робити заміну корпусів з урахуванням показників гарантованого наробітку, що може бути забезпечено на основі розробок при

8

виготовленні їх з вторинних алюмінієвих сплавів.

Четвертий розділ присвячений статистичному аналізу первинних, вторинних та змішаних сплавів і побудові прогнозуючих моделей для оцінки властивостей сплавів для корпусів гідронасосів з різним залишковим ресурсом машини.

Часові ряди для параметрів сплавів в умовах виробництва можуть містити хімічні компоненти, які періодично змінюються. Це пов'язано з циклічними варіаціями складу сплавів. Виділення таких компонентів при обробці статистичних даних вважається недоцільним для моделей, створених для прогнозу властивостей сплавів (прогнозуючих моделей).

Виконано аналіз статистичних вибірок первинних і вторинних алюмінієвих сплавів, оцінено їхній лінійний зв'язок, зсув параметрів часткових вибірок, повторюваність значень для різного часу спостережень і показано, що вони відбивають малі періодичні зв’язки у вихідних даних, які зберігаються при наступній побудові математичних моделей.

Інтегральні функції розподілу вмісту компонентів і твердості сплавів описуються логарифмічно-нормальним законом.

При рішенні задачі інтерполяції отримані дисперсійна і кореляційна матриці плану експерименту, що описують математичну модель впливу хімічного складу на твердість, яка визначає зношення та наробіток деталі.

Показано, що практично всі коефіцієнти моделі взаємонезалежні (коефіцієнти взаємної кореляції не перевершують по модулю 0,5). Виключення складає коефіцієнт а0 та а2 (Si), для яких ?02 = 0,9299.

Прогнозуючі моделі знаходили шляхом рішення СЛАУ методом найменших квадратів. При цьому параметр регуляризації чисельних рішень (за Лаврентьєвим М.М.) може визначатися з умови мінімізації середньоквадратичної помилки прогнозу. Для перевірки якості прогнозуючих моделей частину вибірки резервували і використовували як контрольну.

При рішенні задач екстраполяції за межами області проведення експерименту оптимізували вибір величини параметру регуляризації. Встановлено, що найбільший вплив на твердість сплавів вносять домішки Fe, Ni та Si (коефіцієнти 15.988, 8.353 і 2.646 відповідно).

Прогнозуючі властивості моделі перевіряли за відповідністю експериментальних і розрахункових даних. Для цього половину даних використовували при побудові моделі, а решту для перевірки її адекватності.

Похибка прогнозуючих моделей значно зростає за межами вихідної області визначення параметрів. Тому в аналізовану вибірку включили дані, що знаходяться близько до області визначення вторинних сплавів. Запропоновано методику побудови прогнозуючих моделей для різних типів вторинних сплавів. Виконано аналіз часових рядів для компонентів сплавів на основі об'єднаної вибірки (N = 423 спостереження).

Проаналізовано математичні сподівання і довірчі інтервали для кожного з коефіцієнтів

9

моделі.

Між твердістю й компонентами сплавів встановлена залежність:

, (1)

де a0, am, - невідомі параметри моделі; Xm - вміст m-го компонента (у відсотках).

У ході побудови математичних моделей виявлені також аномальні спостереження. З'ясування природи їхньої появи може сприяти підвищенню якості виробництва за рахунок стабілізації рецептури сплавів та технології їхнього виготовлення.

Для вторинних сплавів характерна підвищена кількість аномальних спостережень, внаслідок чого на підставі тільки таких даних важко побудувати надійну прогнозуючу модель. Показана доцільність та обґрунтована побудова прогнозуючої математичної моделі на основі сукупних даних як для вторинних, так і первинних та змішаних сплавів, на основі яких проводиться переробка брухту. Розглянуто виділення головних компонент (Comp1 і Comp2).

Висунуто припущення про те, що математичні моделі вторинних сплавів можуть бути істотно спрощені при відкиданні малозначних факторів, довірчі інтервали для коефіцієнтів яких охоплюють нульове значення.

Виділені головні компоненти, що дозволило виконати спостереження умов проведення експериментів у просторі меншої розмірності. При цьому основні властивості вихідного еліпсоїда розсіювання факторів впливу залишаються цілком помітними при проектуванні його в простір меншої розмірності. При такій обробці виділені три частини об'єднаної вибірки, що обумовлені різними умовами їх одержання (рис.1).

Рис.1 План об’єднаної вибірки в координатах перших двох головних компонент

В п’ятому розділі виконано аналіз властивостей сплавів і розроблені пропозиції

10

щодо забезпечення їх рівня у корпусах гідронасосів типу НШ. Хімічний склад зручно представляти в площині головних узагальнених компонент. Перша з них (Comp1) визначається переважно вмістом Cu, Mg, Ni, Si, причому вагові коефіцієнти вказаних складових приблизно однакові:

Comp1 = 0,44 lg (Cu) + 0,47 lg (Mg) + 0,46 lg (Ni) + 0,48 lg (Si); (2)

друга компонента (Comp2) визначається вмістом Mn, Zn, Fe:

Comp 2 = 0,55 lg (Mn) + 0,50 lg (Zn) + 0,65 lg (Fe). (3)

Тоді рівняння для твердості, яке визначає область припустимої якості робочих сплавів, має вигляд:

lg (HB) = 1,89 + 0,16Comp1 + 0,047Comp2. (4)

На підставі виконаних розробок показано, що стабілізація якості й оптимізація складу робочих алюмінієвих сплавів повинна базуватися на використанні математичних моделей основних компонент (Comp1, Comp2), які включають первинні, вторинні та змішані сплави одноразово.

Задаючись інтервалом значень показника твердості для робочого сплаву, можливо побудувати робочу область припустимих концентрацій хімічних елементів.

Властивості вихідних компонентів брухту у площині (Comp1, Comp2) дозволяють вирішити задачу оптимізації хімічного складу робочих сплавів. Перевагу варто віддавати таким композиціям, у яких менше вміст дефіцитного компоненту Cu.

Приводиться експериментальна оцінка властивостей корпусів гідронасосів типу НШ, виготовлених із вторинних сплавів на основі прогнозуючих моделей якості.

Виконано аналіз властивостей корпусів гідронасосів, виготовлених із спеціально підібраних вторинних сплавів типу АЛ9 на основі переробки змішаного брухту деталей, що є на підприємстві, з додаванням частки поршнів (АЛ25).

Комбінуючи вихідну сировину, підбирали сплави, що за механічними властивостями близькі до матеріалу заводського спеціалізованого виробництва.

Встановили, що для одержання стабільних властивостей необхідно використовувати 30-45брухту корпусів насосів і 40-65відходів металу поршнів. Допускається використання 10-15брухту деталей дрібносерійного виробництва з алюмінієвих сплавів.

Статистичною обробкою даних оцінена значущість впливу компонентів (міді, кременю і заліза), які змінюються в найбільш широкому інтервалі, на рівень міцності і твердості сплаву.

Проаналізовано різні типи моделей і показано, що найтісніший зв'язок описується урахуванням парних взаємодій.

У досліджуваних сплавах рекомендується обмежувати концентрацію заліза (не більш 1,0Концентрація цього компонента зростає зі збільшенням частки міді і знижується з підвищенням кременю, що пов'язано з типом використаного брухту.

11

Отримано кореляційні залежності, що описують вплив концентрацій компонентів Cu, Si, та Fe на твердість корпусів гідронасосів. Найбільш високі значення твердості забезпечуються при вмісті 2,0-2,5Cu, 7-10Si, і до 0,7Fe. При збільшенні концентрації заліза твердість знижується.

Виконано аналіз сплавів, що містять два, три і чотири компонента, які зустрічаються у вторинних сплавах. Розглянуто можливість формування різних фаз у багатокомпонентних алюмінієвих сплавах, а також температурні параметри їх виробництва та термообробки. Оцінено мікроструктуру, фазовий склад та властивості одержаних вторинних сплавів. Металографічними дослідженнями та рентгеноструктурним аналізом показано, що рекомендовані сплави мають склад: - твердий розчин алюмінію, кристали кремнію та вторинні фази CuAl2 , Al6(SiFe). Частка інтерметалідів NiAl3, FeAl3 та AlFeSi дуже незначна.

Для аналізу фазового складу використовували методику кількісної оцінки згідно з комп’ютерною програмою. Так, зі зміною концентрації Si від 3,57 до 10,17% частка евтектики зростає від 28,4 до 61,8%.

Виходячи із вмісту компонентів у сплаві і забезпечення рівня механічних властивостей і наробітку корпусів гідронасосів, запропоновано їх виробляти за п'ятьма категоріях якості (табл.1).

Таблиця1

Характеристика груп якості корпусів гідронасосів

Група

сплавів | Коефіцієнт

K | Середня

твердість,

НВ | Середня міцність в,

МПа | Гарантований наробіток,

мото-г.

I | 3,05 - 2,67 | 99 | 204 | 2750

II | 2,66 – 2,14 | 89 | 174 | 2500

III | 2,13 – 1,63 | 72 | 157 | 1950

IY | 1,62 – 1,15 | 63 | 142 | 1675

Y | 1,14 – 0,50 | 54 | 127 | 1400

Хімічний склад таких сплавів рекомендується оцінювати за узагальненим критерієм K

(5)

У досліджуваних сплавах значення K змінюється в межах від 0,5 до 3,05.

Найбільш високі показники характерні для I групи якості (на 10вище у порівнянні

12

з заводським спеціалізованим виробництвом). Група II при K ,66-2,14 відповідає корпусам заводського виробництва.

Групи III, IV, і V мають більш низьку зносостійкість (у середньому на 20 - 40що відповідає узагальненим коефіцієнтам K 2,13 - 1,63; 1,62 - 1,15 і 1,14 _0,50.

Отримано емпіричні рівняння, що зв'язують критерій K з рівнем твердості і міцності корпусів гідронасосів із вторинних сплавів:

НВ = 33,94 + 25,68 K; r = 0,956; (6)

в = 101,2 + 32,89 K; r = 0,959, (7)

де r – коефіцієнт кореляції.

Виявлено досить тісний зв'язок між міцністю і твердістю таких сплавів, що дозволяє оперативно оцінювати властивості корпусів гідронасосів:

в = 65,55 + 1, 17 НВ; r = 0,917. (8)

Аналіз результатів випробовувань корпусів, виготовлених з вторинних алюмінієвих сплавів, показав, що чим вище коефіцієнт K, тим вище зносостійкість (рис.2).

Рис. 2. Залежність коефіцієнта зносостійкості корпусів насосів з алюмінієвих сплавів від їх хімічного складу (згідно коефіцієнту K)

13

Працездатність виготовлених корпусів попередньо оцінювали стендовими випробовуваннями. Випробування насосів, які пройшли капітальний ремонт із розточувальними шестернями та використанням нового корпусу гідронасосу, проводили на стенді КИ – 4815М.

Перед випробовуваннями корпус насосу провіряли візуально на відсутність трощінь,

загусенців, гострих країв, вибоїв, зрізів на гумових прокладках.

Проведена перевірка ефективності використання розробок з погляду на забезпечення гарантованого наробітку за п’ятьма категоріями якості корпусів.

Їх використання є особливо ефективним при проведенні ремонтних робіт машин різного терміну експлуатації. Корпуси з різним наробітком дозволяють як забезпечити необхідний залишковий ресурс відремонтованої машини, так і мінімізувати вартість їх відновлення. Виконано розрахунок ціни корпусу з різними показниками якості, а також розроблена нормативно-технічна документація на їхнє виготовлення і дана оцінка економічної ефективності розробок.

На основі виконаних досліджень по оцінці експлуатаційної стійкості корпусів гідронасосів типу НШ32У-2 на 28700 машинах встановлено, що діюча нормативно-технічна документація на їх спеціалізоване виробництво не відповідала гарантії виробника на рівні 3000 мото-г. Фактичний середній наробіток не перевищує 2500 мото-г., що пов’язано з порушеннями вимог при технічному обслуговуванні й експлуатації машин.

Для стабілізації якості матеріалу деталей із вторинних сплавів запропоновано новий підхід до вибору параметрів термообробки з введенням поправочних коефіцієнтів, які враховують вміст легувальних елементів та домішок.

Так, при зміні K від 1,0 до 3,0 tгарт. змінюється від 510 до 5700С, а tстар. від 150 до 1900С.

Розроблені нові технічні умови (ТУ 00907817-131-99) на виробництво корпусів гідронасосів типу НШ32У-2 за п'ятьма категоріями якості, кожна з яких визначається хімічним складом сплаву, рівнем механічних властивостей, а також гарантованим наробітком.

Виконано розрахунок ціни виробів, що, крім базової, включає і надбавки за підвищену якість і гарантований наробіток. При цьому ціна корпусу насоса, виготовленого з вторинних сплавів на основі переробки різного типу брухту деталей з первинних, вторинних і змішаних сплавів, у порівнянні зі спеціалізованим виробництвом з первинних сплавів, нижче на 58

Аналіз ресурсу роботи корпусів, оцінений експериментально та теоретично (методика В.Я. Аніловича), показав, що імовірність безвідмовної роботи практично не

14

відрізняється для даних, одержаних двома методами (рис.3), та показники наробітку

вище для корпусів, виготовлених на РТП з вторинних сплавів.

, г , мото-г

а б

Рис.3. Імовірність відказів у роботі (а) та інтегральні функції розподілу ресурсів гідронасосів (б), (1 – базова вибірка нових деталей з первинних сплавів, 2 – виробництва РТП з вторинних сплавів)

Фактичний річний економічний ефект від впровадження розробок в обсязі 2144 шт. корпусів гідронасосів на Пересічанському РТП склав 32,77тис.грн./рік.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. В останні роки намітилася тенденція використання в значному обсязі старої сільськогосподарської техніки випуску 1972 – 1990р.р. Крім того, істотно скоротився парк машин. Більш уразливим в експлуатації є шестеренний гідронасос, особливо його корпус, який виготовляється з алюмінієвого сплаву. Він зношується, руйнується.

Завод-виготовлювач встановив гарантований наробіток на корпус гідронасосу 3000 мото-г, який в дійсності в 2 – 2,5 рази нижче. Крім того, в процесі експлуатації гідронасосу часто виходить з ладу дорога шестірня, яка працює в спряженні з корпусом. Для збереження її та подальшого використання у експлуатації необхідно виготовляти під її розміри і встановлювати новий корпус, що неможливо виконати в поточному спеціалізованому виробництві.

Тому проблема виготовлення значної кількості корпусів гідронасосів індивідуальних типорозмірів є важливою і актуальною.

2. Статистичний аналіз експлуатаційної стійкості корпусів гідронасосів типу НШ32У-2 виявив такі чинники їхніх відмов: 47,2 за зносом і втратою продуктивності; 30% через

заклинення металокерамічних втулок, що зруйнувалися; 11 % по зламу хвостовика з ушкодженням корпуса, 4,08% з причин низької якості металу.

15

Виконаними дослідженнями встановлено, що підвищення експлуатаційної стійкості таких виробів може відбуватися в напрямку поліпшення їхньої зносостійкості й міцності. У цьому випадку можливо більш надійно забезпечити гарантований наробіток.

Обґрунтовані пропозиції виготовлення корпусів гідронасосів з гарантованим наробітком з вторинних алюмінієвих сплавів для використання в машинах, які мають різний залишковий ресурс.

3. Встановлені закономірності впливу хімічного складу на структуру, співвідношення фаз та властивості вторинних алюмінієвих сплавів, що дозволяє пропонувати їх для виготовлення конкретної деталі залежно від залишкового ресурсу машини.

Отримано дисперсійну і кореляційну матриці плану експерименту при вирішенні задачі інтерполяції, що описують вплив хімічного складу на твердість сплаву. Встановлено, що найбільш значущий вплив на твердість сплавів справляють кремній та домішки – Cu, Fe і Ni.

Показано, що вторинні сплави характеризуються багатьма аномальними спостереженнями за вмістом хімічного складу та твердості. Тому більш надійно проводити оцінку якості за сукупністю даних первинних, вторинних та змішаних сплавів.

4. На підставі проведеного аналізу впливу хімічного складу сплавів на їх структуру та властивості з урахуванням двійних, трійних і чотирних діаграм стану показано, що залежно від категорії якості у вторинних сплавах кристалізуються: твердий розчин малих концентрацій Si, Cu, Fe в алюмінію, кристали кремнію та вторинні фази CuAl2, Al6(SiFe). Вміст останніх не перевищує 8 – 10%. Частка інтерметалідів NiAl3, FeAl3, та AlFeSi дуже незначна. Зі зміною концентрації Si від 3,57 до10,17% частка евтектики зростає від 28,4 до 61,8%.

Надані рекомендації з оптимального хімічного складу сплавів для різних категорій якості, які ефективно використовували при проведенні ремонтних робіт машин різного віку експлуатації.

5. Для оцінки якості сплавів запропонований коефіцієнт K, що встановлює зв’язок хімічного складу сплаву зі структурою, твердістю, міцністю, зносостійкістю і наробітком таких корпусів гідронасосів. Використання коефіцієнта K дозволило розробити новий підхід до вибору температурних параметрів термообробки.

Введенні поправочні коефіцієнти, які враховують вміст легувального елементу та домішок.

Запропоновано та обґрунтовано п’ять категорій якості сплавів, що відрізняються властивостями та наробітком.

16

6. Одержані математичні моделі для прогнозування заданих властивостей вторинних сплавів.

Виконано дослідження статистичних вибірок первинних і вторинних алюмінієвих сплавів, оцінено їхній зв'язок, зсув параметрів часткових вибірок, повторюваність значень для періодів спостережень, що відрізняються. Встановлено, що вони відбивають малі періодично повторювані спектри розподілу компонентів, які відповідають вихідним даним і зберігаються при наступній побудові математичних моделей.

Інтегральні функції розподілу вмісту компонентів і зміни твердості сплавів описуються логарифмічно-нормальним законом. Виходячи з цього, пропонується прогнозуючу математичну модель будувати, переходячи до логагарифмів вихідних даних.

7. Розроблена технологія виготовлення корпусів гідронасосів із алюмінієвих сплавів в умовах ремонтного виробництва на базі переробки брухту деталей, відлитих з первинних, вторинних та змішаних сплавів різних виробників.

Ця технологія передбачає поставку корпусів з різним хімічним складом, рівнем споживчих властивостей і гарантованим наробітком.

Розроблена нова нормативно-технічна документація на використання корпусів гідронасосів із вторинних алюмінієвих сплавів різного рівня якості, визначена їх ціна, що в умовах обслуговування техніки забезпечило на 58% нижчі витрати, ніж на спеціалізованих підприємствах. При цьому І група якості корпусів, що поставляються за новими технічними умовами, має властивості та наробіток на 10% вище раніше діючих.

Економічний ефект від впровадження розробок в обсязі 2144шт./рік на Пересічанському РТП склав 32,77 тис.грн.

ОПУБЛІКОВАНІ ПРАЦІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Тимченко Н.И. К выбору состава сплава для корпусов гидронасосов НШ, изготовляемых в условиях ремонтного производства // Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин. Сб. науч. тр. /ХГТУСХ, выпуск 3 – Харьков, 1997. – С. 97-100.

2.Тимченко Н.И. Влияние на прочность химического состава алюминиевых сплавов для корпусов гидронасосов // Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин. Сб. науч.

тр. / ХГТУСХ, выпуск 4 - Харьков, 1998. – С. 100-103.

3.Тимченко Н.И. Применение экономико-математической модели в условиях ремонтного производства АПК для оценки эффективности использования восстанавливаемых деталей из алюминиевых сплавов// Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин. Сб. науч. тр. / ХГТУСХ. - Харьков, 1999. – С. 200-203.

4.Тимченко Н.И. Экономико-математическое моделирование в условиях ремонтного

17

производства АПК.СБ. науч. тр. /Вестник ХГПУ, выпуск 34. – Харьков, 1999. – С. 92-95.

5.Скобло Т.С., Тимченко Н.И. Прикладной статистический анализ и прогнозирующие модели для оценки качества вторичных алюминиевых сплавов // Підвищення надійності деталей машин, що відновлюються / Вісник ХДТУСГ, випуск 5. – Харків, 2000. – С. 178-183. (Здобувачем проведено збір і узагальнення інформації щодо обґрунтування методики побудови математичної моделі, оцінка якості вторинних алюмінієвих сплавів.)

6.Набока Б.Г., Тимченко Н.И. Технико-экономический анализ вторичных алюминиевых сплавов в пространстве главных компонент // Системный анализ, управление и информационные технологии / Вестник ХГПУ. выпуск 93. – Харьков, 2000. – С. 100-104.

(Здобувачем проведено збір і узагальнення інформації для визначення оптимального складу вторинних алюмінієвих сплавів, техніко-економічний аналіз цих сплавів).

7.Тимченко Н.И. Обоснование цены корпусов гидронасосов, изготовленных в условиях ремонтного производства // Проблеми ефективного функціюання АПК в умовах нових форм власності та господарювання / Наукове видання Інститут аграрної економіки УААН, ХДТУСГ. Монографія у 2 томах. – Київ, 2001. Т. 3., - С. 414-415.

8.Тимченко М.І. Застосування брухту алюмінію у ремонтному виробництві при виготовленні корпусів гідронасосів НШ. “Аграрна освіта і наука на початку третього тисячоліття” / Вісник ЛДАУ, – Львів, 2001. – С. 306-309.

9.Тимченко Н.И. Использование неравномерной группировки наблюдений для решения задач проверки статистических гипотез // Механізм господарювання і економічна динаміка в АПК. 3б. наук. пр. / Вісник ХДАУ. випуск 8.– Харків, 2001. С. 254 - 258.

10.Тимченко Н.И. Анализ диаграмм состояния, близких по содержанию компонентов к шихтовым материалам, используемым при производстве вторичных сплавов и исследование структуры, свойств корпусов гидронасосов из этих материалов.// Підвищення надійності відновлю’ємих деталей машин/ Вісник ХДТУСГ, випуск 15. – Харків, 2003. С.212-222.

АНОТАЦІЯ

Тимченко М.І. Вторинні алюмінієві сплави для корпусів гідронасосів з різним залишковим ресурсом машин. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05. 02. 01 "Матеріалознавство" Харківський національний автомобільно-дорожній університет. Харків, 2004.

18

Дисертація присвячена обгрунтуванню та пошуку матеріалів (на базі брухту алюмінієвих сплавів), які б забезпечили високу зносостійкість виготовлених корпусів гідронасосів, їх якість і гарантований наробіток.

Оцінено хімічний склад, мікроструктура та властивості одержаних вторинних сплавів.

Розроблено прогнозуючі математичні моделі для забезпечення необхідного наробітку корпусів гідронасосів із різних композицій алюмінієвого брухту шляхом обгрунтування складових частин сплаву.

Розроблена методика дозволяє прогнозувати диференційовану якість корпусів насосів, виготовлених в умовах переробки брухту.

Визначена можливість виробництва та ефективного використання п'яти категорій якості корпусів гідронасосів типу НШ при проведенні ремонтних робіт машин різного віку експлуатації. Ці групи якості визначаються рівнем їх механічних і експлуатаційних показників та задаються хімічним складом. При цьому вартість такого корпусу може бути мінімізована і визначена із розрахунку забезпечення необхідного залишкового ресурсу машини.

Впровадження розробок у виробництво забезпечило економічний ефект 32,77 тис. грн./рік.

Ключові слова: вторинні алюмінієві сплави, корпуси гідронасосів, гарантований наробіток, твердість, зносостійкість, міцність, мікроструктура, фазовий і хімічний склад.

АННОТАЦИЯ

Тимченко Н.И. Вторичные алюминиевые сплавы для корпусов гидронасосов с разным остаточным ресурсом машин. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01."Материаловедение". Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет. Харьков, 2004.

Анализ выполненных исследований по оценке использования сельскохозяйственной техники показал, что 70…80% тракторов и комбайнов отработали амортизационные сроки.

В зависимости от срока службы, периода проведения капитального ремонта, технического состояния гидронасосов рекомендуется производить замену их корпусов с учетом остаточного ресурса машины. Это может быть обеспечено на основе разработок, позволяющих изготавливать их из вторичных алюминиевых сплавов по пяти категориям качества.

Статистически изучена эксплуатационная стойкость корпусов гидронасосов типа НШ 32У-2 и причины их выхода из эксплуатации.

Исследованиями установлено, что физико-механические и эксплуатационные свойства корпусов из вторичных алюминиевых сплавов существенно зависят от химического состава используемого лома. Оценены микроструктура, фазовый состав и свойства полученных вторичных алюминиевых сплавов.

19

Разработаны прогнозирующие математические модели, оценивающие связь химического состава сплава с уровнем свойств, для обеспечения заданной наработки корпусов гидронасосов из различного алюминиевого лома путем обоснования составных его частей.

Установлена связь между прочностью, твердостью и износостойкостью таких сплавов, что позволяет оперативно прогнозировать наработку корпусов гидронасосов различного уровня качества по химическому составу сплава.

Обосновано пять категорий качества корпусов гидронасосов типа НШ, которые определяются химическим составом, уровнем их механических свойств, износостойкости и наработки.

Разработана методика прогнозирования качества корпусов гидронасосов, изготовленных при переработке лома.

Определена возможность производства и эффективного использования пяти категорий качества корпусов гидронасосов при проведении ремонтных работ двигателей разного срока эксплуатации. При этом стоимость корпуса насоса может быть минимизирована и определена из расчета обеспечения остаточного ресурса машины.

Разработаны новые технические условия на производство корпусов гидронасосов типа НШ из вторичных алюминиевых сплавов.

Внедрение разработок в производство обеспечило экономический эффект в размере 32,77 тыс. грн./в год.

Ключевые слова: вторичные алюминиевые сплавы, корпуса гидронасосов, гарантия наработки, твердость, прочность износостойкость, микроструктура, фазовый и химический состав.

ABSTRAKT

Timchenko M.I. Recovered aluminium alloys for the hydraulic pomp cases with different remained service life. – Manuscript.

The theses for a candidate degree of technical sciences in speciality 05. 02. 01 -“ Material Science”. The Kharkiv National Automobile and Highway University. Kharkiv, 2004.

This theses is devoted to the justification and search of materials (on the base of aluminium

alloys scrap) which would provide high wear resistance, quality and operating time of hydraulic pomp cases. Chemical composition, microstructure and properties of the recovered alloys are estimated. Forecasting mathematical models are elaborated for assuring the guaranteed service life of pomp cases by choosing the necessary combination of alloys structural components.

20

The proposed method allows to forcast the differentiated quality of the pomp cases made of recovered aluminum alloys.

The investigations show the possibility of producing the five quality categories of type NSh pomp cases which can be effectively used in repairing the machines with different period of service.

These groups are distinguished for their mechanical and service characteristics depending on the chemical composition. The cost of these cases can be minimized and determined taking into account their remained service life. Introduction of this work results provided an economical effect 32770 grn. / year. Key words: recovered aluminum alloys, hydraulic pomp cases, guaranteed service life, hardness, wear resistance, strength, microstructure, phase and chemical composition.