НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

РУССКИХ Віктор Васильович

УДК 629. 083

підвищення ефективності ремонту шестеренних

насосів гідросистем транспортних засобів

Спеціальність 05.22.20 – експлуатація та ремонт засобів

транспорту

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертація є рукопис.

Робота виконана у Кіровоградському національному технічному

університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор

Кропівний Володимир Миколайович,

Кіровоградський національний технічний

університет, професор кафедри “

Матеріалознавство та ливарне виробництво”

офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Дідур Володимир Аксентійович,

Таврійська державна агротехнічна академія

Міністерства аграрної політики України,

завідувач кафедрою “Гідравліка, гідропривід та

теплотехніка”

кандидат технічних наук, доцент

Голяк Олег Леонтійович,

Національний транспортний університет, доцент

кафедри “Виробництво, ремонт і матеріалознавство”

Провідна установа: Національний науковий центр “Інститут

механізації та електрифікації сільського

господарства УААН”, смт. Глеваха

Захист відбудеться ”27” квітня 2007р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради
Д 26.059.03 у Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ,
вул. Суворова, 1, аудиторія 333.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, .

Автореферат розіслано ”22” березня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради О.К. Грищук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сьогодні гідропривід є одним із перспективних технічних засобів передачі енергії. Широке використання гідроприводу на транспортних засобах дозволяє підвищити їх ефективність, знизити матеріаломісткість, підвищити продуктивність праці, легко здійснити механізацію та автоматизацію робіт, спростити передачу енергії на відстань у будь-якому напрямку в межах транспортного засобу без застосування складних передавальних пристроїв, знизити зусилля на органах керування. Найбільше розповсюдження отримав гідропривід на спеціальних та спеціалізованих транспортних засобах (самоскидах, сміттєвозах, автонавантажувачах тощо), у системах приводу й керування робочими органами.

Найпоширенішим джерелом енергії гідроприводу є шестеренний насос, ресурс якого складає 3000 годин. Проте, як показує досвід експлуатації, надійність відремонтованих насосів значно поступається надійності нових насосів. Недостатня надійність відремонтованих насосів спричиняє часті виходи їх із ладу, що призводить до тривалих простоїв транспортних засобів.

Одним із ефективних шляхів усунення цих недоліків є поліпшення якості технічного обслуговування і ремонту шестеренних насосів гідросистем транспортних засобів, створення нових прогресивних методів відновлення зношених деталей, що дозволить знизити витрати на ремонт і підвищити надійність відремонтованих насосів гідросистем транспортних засобів. Отже, підвищення надійності та якості ремонту шестеренних насосів НШ гідроприводів транспортних засобів є актуальною науковою і народногосподарською проблемою. Актуальність поставлених задач зростає у зв'язку з тим, що на даному етапі розвитку народного господарства України велику частину парку транспортних засобів складають машини, які потребують ремонту.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлені в дисертаційній роботі дослідження виконувалися на кафедрі “Експлуатація та ремонт машин” Кіровоградського національного технічного університету за напрямком, який відповідає Закону України № 2623-ІІІ від 11.07.2001 р “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки” - “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”. Дослідження проводилися при виконанні господарського договору №54101 “Дослідження шестеренних насосів з метою подальшого підвищення їх технічних характеристик” (№ держреєстрації 0101U007456).

Мета і задачі досліджень. Мета досліджень - підвищення довговічності насосів при їх ремонті, зниження витрат на ремонт шляхом розробки ефективної ресурсозберігаючої технології.

Задачі досліджень. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі дослідження:

1. Дослідити технічний стан зношених шестерень насосів, що надходять у ремонт.

2. Розробити теоретичні передумови ремонту шестеренних насосів шляхом відновлення і зміцнення його шестерень під ремонтний розмір.

3. Визначити склад зносостійких композиційних порошкових матеріалів для відновлення шестерень, визначити оптимальні режими відновлення і зміцнення шестерень, які б забезпечували нанесення покриття з необхідною міцністю зчеплення з основою і зносостійкістю.

4. Дослідити структуру та фізико-механічні властивості покриттів: міцність зчеплення з основним металом, мікротвердість і зносостійкість.

5. Провести стендові та експлуатаційні випробування працездатності відремонтованих насосів, прийнявши за критерії тиск, що розвивається, об’єм робочої камери, об’ємну подачу і коефіцієнт подачі насоса.

6. Розробити ресурсозберігаючу технологію ремонту насосів із використанням розробленого методу.

Об’єктом дослідження є технологічний процес ремонту шестеренних насосів.

Предметом дослідження є ефективність ремонту шестеренних насосів гідросистем транспортних засобів.

Методи досліджень. На підставі принципів системного аналізу здійснювалося вирішення задач, які пов’язані з розробкою ефективного методу ремонту шестеренного насосу. При цьому використовувалися наукові методи фізичного та математичного моделювання, теорія планування експерименту, теорія ймовірностей та математична статистика.

Достовірність результатів досліджень забезпечувалася використанням методів фундаментальних і прикладних наук при проведенні теоретичних досліджень, а при експериментальних дослідженнях - використанням перевірених методик, а також експериментальних установок, стендів, приладів і пристосувань відповідної точності.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в наступному:

- розроблена статистична модель взаємозв'язку зношувань зубів шестерень по ширині вінця і по зовнішньому діаметру від зношування цапф та евольвентного профілю і шліців по ширині від зношування шийки ведучої шестерні під ущільнення;

- встановлена аналітична залежність подачі насоса та технічних характеристик зубчатого зачеплення, що визначають працездатність насоса, від величини зношень елементів шестерень;

- розроблено новий ефективний спосіб збільшення зовнішнього діаметру зубів шестерень до ремонтного розміру контактним наварюванням порошків з одночасною термоциклічною обробкою, який забезпечує необхідну міцність зчеплення покриття з поверхнею та його високу зносостійкість;

- теоретично доведено, що зміна параметрів зубчатого зачеплення і насоса при ремонті шестерень за запропонованим методом шляхом збільшення зовнішнього діаметру зубів правомірна і не погіршує технічні характеристики насоса;

- запропоновано приймати товщину зуба біля вершини як критерій граничного збільшення діаметра шестерень при їх ремонті за розробленим методом.

Практичне значення. Практичне значення отриманих результатів роботи полягає в наступному:

- отримана статистична модель взаємозв'язку зношень елементів шестерні дозволяє скоротити час на їх дефектування при ремонті насосу;

- розроблено технологічний процес ремонту шестерень насоса під ремонтний розмір;

- експериментально встановлено оптимальний склад порошкових матеріалів і режими контактного наварювання порошків на цементовані поверхні вершин зубів шестерень з одночасною термоциклічною обробкою.

Впровадження результатів дослідження. Результати роботи впроваджені на ВАТ “Старокримське підприємство “Сельхозтехника”. Крім того, результати роботи впроваджені в навчальний процес при постановці практичних і лабораторних робіт по дослідженню зношування шестерень і проектуванню технології їх відновлення і зміцнення, а також при постановці лабораторних робіт з дисциплін “Ремонт автомобілів”, “Ремонт машин”, “Ремонт та відновлення деталей машин і апаратів”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Постановка проблеми і задач дослідження та їх аналіз виконаний автором спільно з науковим керівником.

Особисто здобувачем розроблена статистична модель взаємозв'язку зношувань зубів шестерень від зношування цапф; отримано аналітичні залежності для визначення ступеню впливу зношень елементів шестерень на працездатність насоса, розроблено спосіб збільшення зовнішнього діаметру зубів шестерень до ремонтного розміру; запропонована методика теоретичних та експериментальних досліджень; проведено експериментальні та експлуатаційні дослідження відновлення шестерень контактним наварюванням порошків з одночасною термоциклічною обробкою.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися та обговорювалися на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Кіровоградського національного технічного університету у 1995-2005 роках, на Міжнародній науково-практичній конференції, присвяченій 10-річчю факультету технічного сервісу Харківського державного технічного університету сільського господарства (ХДТУСГ)
(м. Харків, 2001 р.), “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки”, на 3-й (м. Кіровоград, листопад 2000 р.), 5-й і 6-й (м. Вінниця, жовтень 2002 р. і жовтень 2004 р.) Міжнародних конференціях „Асоціації промислової пневматики і гідравліки”, на 2-й Міжнародній науково-практичній конференції ХДТУСГ (м. Харків, 2003 р.) “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки”, на Першій Міжнародній науково-технічній конференції „Машинобудування і металообробка - 2003” КДТУ (м. Кіровоград, 2003 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 статей у фахових, затверджених переліком ВАК України, та інших виданнях і отримано 1 патент України.

Об’єм і структура роботи. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний об'єм дисертації становить 198 сторінок, з них 119 сторінок основного тексту, 38 ілюстрацій по тексту, 40 ілюстрацій на 21 сторінці, 12 таблиць по тексту, 7 таблиць на 9 сторінках, 4 додатки на 36 сторінках, 125 найменувань використаних джерел на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ Зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначена мета і задачі, об'єкт і предмет дослідження, наведена наукова новизна і практична значимість дослідження, наведені відомості про апробацію, публікації і структуру дисертації.

У першому розділі розглянуто стан питання, проаналізовано літературні данні.

Дослідженню технічного стану зношених шестерень насосів присвячено ряд робіт П.Р. Кудрявцева, І.А. Бабаєва, Р.А. Ібрагімова, В.Е. Черкуна, Н.Т. Іванова, В.Л. Мудряка, В.М. Янсона, У.А. Ікрамова, М.М. Сєвєрнєва та ін. За аналізом літературних джерел встановлено, що зношення деталей насоса приводить до зростання зазорів у його спряженнях, збільшення внутрішніх втрат робочої рідини та зниження основних технічних характеристик насоса. З’ясовано, що літературні данні не однозначні стосовно виду, характеру і величини зношування шестерень, що визначає потребу у проведенні додаткових досліджень.

Запропоновано класифікацію способів ремонту насосів шляхом відновлення спряження “корпус-шестерня”. Існуючі методи ремонту деталей насосів були розподілені на дві групи - під номінальний і ремонтний розміри. Встановлено, що одним із перспективних способів ремонту насосу є збільшення шестерень по зовнішньому діаметру до ремонтного розміру. Такий спосіб дає можливість відновити об’ємну подачу і коефіцієнт подачі насоса. Також було запропоновано класифікацію способів ремонту зубів шестерень по зовнішньому діаметру.

Істотне зниження інтенсивності абразивного зношування деталей насоса може бути досягнуте зміцненням його шестерень контактним наварюванням кераміко-металевого покриття підвищеної твердості.

Зуби шестерень серійних насосів при виготовленні піддаються цементації, що ускладнює їх відновлення. Встановлено, що контактне наварювання на цементовані поверхні можливо виконувати з використанням спеціальних технологічних прийомів, спрямованих на активацію процесу наварювання, одним з яких є термоциклічна обробка. Вона дозволяє значно підвищити міцність зчеплення покриття з основою, а також зменшити розмір зерна у перехідній зоні.

На основі проведеного аналізу була поставлена мета і задачі досліджень, а також запропонований метод ремонту зубів шестерень по зовнішньому діаметру шляхом контактного наварювання порошків з одночасним проведенням термоциклічної обробки.

У другому розділі на підставі аналізу літературних джерел відповідно до мети і задач досліджень були розроблені програма і методики досліджень.

Вибір матеріалу для контактного наварювання відбувався у два етапи. Критерієм вибору матеріалу матриці і наповнювача на першому етапі була твердість покриттів. На другому етапі виконано оптимізацію складу порошкового матеріалу за критеріями твердості кераміко-металевого покриття, його зносостійкості та міцності зчеплення з основою.

Для контактного наварювання порошку на вершини зубів шестерень була розроблена дослідна установка на базі машини для контактного точкового зварювання МТ - 2527. Схема процесу, зовнішній вигляд установки та пристрою для автоматизації процесу контактного наварювання представлені на рис. 1, 2.

а) б)

Рис. 1. Схема процесу контактного наварювання: а) на стадії попереднього пресування; б) на заключній стадії формування покриття: 1 – нижній електрод; 2 – шестерня; 3 – порошок; 4 – профілююча канавка

а) б)

Рис. 2. Установка для контактного наварювання на зношені вершини зубів шестерень (а) та пристрій для автоматизації процесу наварювання (б).

Контактне наварювання порошкових сумішей проводили наступним чином: після попереднього пресування пропускали перший імпульс струму при параметрах наварювання: I = 11...15 кА,
tімп = 0,2...0,5 с, Р = 30,0…40,0 МПа. Порошок, що наварюється, розігрівається до 0,90...0,95 температури плавлення матриці, потім здійснювалася термоциклічна обробка подачею 3...7-ми імпульсів струму однакової тривалості, що затухають по величині і забезпечують нагрівання покриття до температури на 50...100 °С вище точки Ас3. Паузи між імпульсами забезпечують охолодження зони наварювання порошку на 50...100 °С нижче від точки Аr1. Пропускання струму за такими режимами забезпечує формування зносостійкого покриття та подрібнення зерна матриці покриття і перехідної зони деталі.

За параметр оптимізації при проведенні багатофакторного експерименту приймали міцність зчеплення нанесеного покриття з основою на зрізання. Визначення міцності зчеплення виконували на установці УИМ – 50М.

Лабораторні випробування покриттів на відносну зносостійкість проводили на машині тертя Х4-Б (ГОСТ 17367 – 71). Зносостійкість випробовуваного матеріалу оцінювали порівнянням з еталонним зразком, виготовленим зі сталі 18ХГТ.

Дослідження структури наварених покриттів виконували на мікроскопі МИМ-8, а також на електронному растровому мікроскопі-мікроаналізаторі BS фірми “TESLA” з енерго-дисперсійним аналізатором “Lins - 860”, що дозволяло паралельно з растрово-електронним дослідженням робити локальні визначення хімічного складу окремих ділянок.

Мікротвердість структурних складових покриття визначали відповідно до ГОСТ 9450-76 на автоматичному мікротвердомірі фірми “Shimadzu” (Японія).

Експериментальні дослідження працездатності насосів проводили на установці, що створена на кафедрі „Експлуатація та ремонт машин” Кіровоградського національного технічного університету на базі балансирного стенду ККД - 6 (DS 1036-4/N). Установка дає можливість визначити основні технічні характеристики шестеренного насоса: тиск, подачу, коефіцієнт подачі, механічний та загальний ККД.

Стендові ресурсні випробування проводилися на Кіровоградському ВАТ „Гідросила” за методикою прискорених ресурсних випробувань на спеціальному стенді СИН-25. Насоси випробовувалися при циклічному навантаженні з частотою 600...700 циклів за годину. Технічний ресурс встановлювали безпосереднім визначенням часу напрацювання шестеренного насоса на ресурсну відмову відповідно до ГСТУ 3-25-180-97. Визначали середній та гамма-процентний () ресурс.

Завершальним етапом експериментальних досліджень були експлуатаційні випробовування відремонтованих насосів за технологією, що пропонується.

У третьому розділі на основі аналізу технічного стану шестерень встановлено, що провідним видом зношування шестерень є абразивний знос.

Зношення елементів шестерень має нерівномірний характер. Шорсткість робочих поверхонь у процесі експлуатації, за винятком евольвентного профілю робочої сторони зуба, збільшується.

В результаті досліджень технічного стану шестерень було визначено точкові і інтервальні характеристики зносу робочих поверхонь шестерень, а також закони розподілу зношень.

Отримано статистичні моделі зношених поверхонь у вигляді кореляційних взаємозв'язків зносів поверхонь шестерень. Встановлено лінійний взаємозв'язок між зносом цапф по діаметру (DZ) і зносом вінця шестерні по ширині (В) і по зовнішньому діаметру зубів (D)

, (1)

. (2)

Взявши за незалежну змінну зношення шийок під ущільнення (DS), також встановлено кореляційний взаємозв'язок між цією величиною та зношенням шестерень по евольвентному профілю - W і шліців ведучої шестерні по ширині (SL)

, (3)

. (4)

У четвертому розділі при визначенні ступеня впливу зносу елементів шестерень на об'єм робочої камери насоса були отримані аналітичні залежності об’єму робочої камери насоса від зношення шестерень по ширині (?b), по зовнішньому діаметру зубів (?D) і по евольвентному профілю (?S) (рис. 3)

, 5)

, (6)

. (7)

Коефіцієнт, що входить у залежності (5) і (6), можна визначити

. (8)

Рис. 3. Залежності об’єму робочої камери насоса від зношення елементів його шестерень по: діаметру ?De, - 1, ширині ?b - 2, евольвенті ?S - 3.

Отримані результати свідчать, що зношення елементів шестерень порізному впливає на об’єм робочої камери насоса. Зношення шестерень по зовнішньому діаметру зубів приводить до більш високої швидкості зниження об’єму робочої камери, ніж при зношенні шестерень по ширині. У той же час зношення зубів шестерень за евольвентним профілем на об’єм робочої камери впливає незначною мірою. Отже, зношення шестерень за зовнішнім діаметром зубів є визначальним фактором, що приводить до зменшення об’єму робочої камери та інших технічних показників насоса.

У процесі експлуатації насоса збільшується міжцентрова відстань, що сприяє зменшенню коефіцієнта перекриття зубчатого зачеплення, яке відбувається за лінійною залежністю (рис. 4). При досягненні коефіцієнта перекриття зубчатого зачеплення значень ? < 1 відбувається вихід насосу з ладу. Вірогідність цієї події велика через те, що конструктивно в насосах НШ закладається коефіцієнт перекриття зубчатого зачеплення ? = 1,044...1,106.

Рис. 4. Залежності коефіцієнта перекриття зубчатого зачеплення – 1 і коефіцієнта к2 – 2 від величини зношення зубів шестерень по зовнішньому діаметру – ?Dе.

Встановлено, що при коефіцієнті перекриття ? = 1 критичною величиною зношування шестерень по зовнішньому діаметру зубів для насосів НШ-50У, НШ46У і НШ-32У є значення ?Dek=0,47211?10-3 м.

Зношення зубів шестерень насоса безпосередньо приводить до зниження об’єму робочої камери, об’ємної подачі і коефіцієнта подачі та може привести до виходу насоса з ладу.

Теоретичне обґрунтування можливості зміни параметрів насоса при відновленні його шестерень під ремонтний розмір полягало в аналізі залежності зміни об’єму робочої камери від збільшення шестерень по зовнішньому діаметру

. (9)

Збільшення шестерень по зовнішньому діаметру впливає на величину об’єму робочої камери (рис. 5). Об’єм робочої камери насоса q зростає зі збільшенням зовнішнього діаметру зубів шестерень насоса за параболічною залежністю. При зростанні діаметра шестерень на 1 мм (1,8 % від її діаметра) об’єм робочої камери насоса збільшується на 3264 мм3, що складає 7% від об’єму робочої камери насоса. Збільшення зовнішнього діаметра зубів шестерень викликає ряд теоретично обґрунтованих конструктивних змін у насосі. При збільшенні діаметра (De) для отримання працездатного зачеплення необхідно збільшити міжцентрову відстань.

Рис. 5. Залежність об’єму робочої камери насоса від зовнішнього діаметра зубів шестерень Dе.

Зростання зубів шестерень по зовнішньому діаметру приводить до збільшення коефіцієнта перекриття зубчатого зачеплення - ?, а з іншого боку зростання шестерень по зовнішньому діаметру при синтезі передачі приводить до зростання міжцентрової відстані - Ад і кута зачеплення передачі - ?, що знижує коефіцієнт - ?

(10)

Графічно лінійна залежність коефіцієнта перекриття зубчатого зачеплення - ? від збільшення шестерень по зовнішньому діаметру представлена на рис. 6.

Із зростанням діаметра вершин зубів - De одночасно зростає міжцентрова відстань - Ад, а також кут зачеплення передачі - ?, які сприяють зниженню коефіцієнта перекриття зубчатого зачеплення - ?. Тому швидкість зростання коефіцієнта перекриття зубчатого зачеплення незначна. При збільшенні зубів шестерні по зовнішньому діаметру коефіцієнт k зростає за криволінійною пологою параболічною залежністю (рис. 6). Збільшення коефіцієнту перекриття зубчатого зачеплення для насосів НШ є небажаним явищем через зростання затисненого об'єму, однак воно, практично, не впливає на працездатність насоса, зокрема на об’єм робочої камери.

Рис. 6. Залежності коефіцієнта k – 1 і коефіцієнта перекриття зубчатого зачеплення ? - 2 від зміни зовнішнього діаметра зубів шестерень De.

Основним чинником, що обмежує подальше збільшення зубів шестерень по зовнішньому діаметру, є зменшення товщини вершини зуба, яке визначається залежністю

. (11)

Графік залежності (11), представлений на рис. 7, свідчить, що при , отже, даний розмір є граничною величиною збільшення зубів шестерень по зовнішньому діаметру.

Рис. 7. Залежність товщини вершини зуба Se від зовнішнього діаметра зубів шестерені De

Встановлено, що втрати рідини через радіальний зазор “корпус-шестерня” відбуваються вздовж стінок корпуса в напрямку з камери нагнітання до камери всмоктування. Товщина вершини зуба мало впливає на величину втрат через вказане спряження.

Проведені теоретичні дослідження підтвердили принципову можливість ремонту шестерень під ремонтний розмір збільшенням до максимального зовнішнього діаметру зубів.

У п'ятому розділі наведено результати визначення складу порошкового матеріалу для контактного наварювання на вершини шестерень кераміко-металевих покрить.

На першому етапі вибору складу шихти було досліджено покриття з порошків ПГ-УС-25, ПГ-С-27 та ПГ-ФБХ-6-2. За матеріал матриці було обрано порошок ПГ-ФБХ-6-2, що обумовлено наявністю у ньому бору, який сприяє зміцненню матриці за рахунок мікролегування, формування твердих вторинних карбідів, які утворюються у процесі спікання і армують металеву матрицю, а також формування самостійних карбідів бору. Як зміцнюючу фазу використовували карбід хрому, плакований нікелем (КХНП-20). Такий наповнювач має високу твердість, зносостійкість і електропровідність. Плакуючий шар нікелю підвищує здатність порошкового матеріалу до пресування, а також сприяє хімічній активації процесу контактного наварювання. Для отримання щільної гетерогенної структури навареного покриття до складу порошкового матеріалу додатково вводили як наповнювач - карбід титану.

Для зниження пористості кераміко-металевих покриттів використовували порошки різного фракційного складу. За результатами лабораторних випробувань встановлено, що найвищу зносостійкість мають покриття з порошків такого складу: 50% ПГ-ФБХ-6-2 (фракція 30…40 мкм)+40% КХНП-20 (фракція 50…60 мкм)+ 10% TiС (фракція 10…20 мкм). Із зростанням кількості зміцнюючої фази створюються умови для зародження і розповсюдження тріщин, а також до зниження міцності та абразивної зносостійкості навареного покриття.

За допомогою методів математичного планування результатів експериментальних досліджень процесу контактного наварювання визначено математичну модель міцності зчеплення на зрізання навареного покриття:

?ср = 71,6167 + 3,49167? I + 3,41833? Р + 4,08333 ?t + 3,875? n +

+ 1,375 ?I? t-0,076 P2 +0,725? P? t -108,75 t2 + 7,75? t? n-1,0875 n2, (12)

де І – величина струму, А;

Р – тиск пресування, МПа;

t – тривалість імпульсу, с;

n – число циклів термоциклічної обробки.

Пошук оптимального режиму контактного наварювання здійснювали методом крутого сходження. Встановлено, що максимальна міцність зчеплення нанесеного покриття з основою ?ср - 209,5 МПа досягається при такому режимі: I = 14,0 кА, Р=37,0 МПа, t = 0,4 с, n =6.

Мікроструктура відновленої шестерні в області перехідної зони складається з дрібноголчастого мартенситу з рівномірним розподілом карбідів та незначної кількості аустеніту, що відповідає технічним вимогам, які висуваються до цементованих сталей. Наварене покриття має таку мікроструктуру (рис. 8):

- матриця – високолегована хромом і бором дрібнодисперсна евтектика, яка складається з вторинних легованих карбідів і легованого твердого розчину (середньозважена мікротвердість 10,48 ГПа);

- зміцнююча фаза - карбіди хрому і титану, що рівномірно розподілені в матриці і розділяються прошарками металу матриці (середньозважена мікротвердість 15,30 ГПа).

Мікроструктура навареного покриття та рівень мікротвердості його структурних складових забезпечують високу зносостійкість відновлених шестерень за умов абразивного зношування.

Рис. 8. Мікроструктура навареного покриття, Ч500

На основі досліджень працездатності шестеренних насосів, відремонтованих за розробленою технологією, встановлено, що тиск, який розвиває відремонтований шестеренний насос, становить 16 МПа.

Із зростанням зубів шестерень по зовнішньому діаметру має місце зростання об’єму робочої камери шестеренного насоса та його об’ємної подачі (рис. 9). Експериментально визначена об’ємна подача насоса в середньому на 9 % менша, ніж розрахункова, це узгоджується з тим, що коефіцієнт подачі шестеренних насосів лежить у межах =0,90...0,92 %.

Рис. 9. Залежність подачі шестеренного насоса від зовнішнього діаметру зубів шестерень:
1 – експериментальна; 2 – розрахункова.

Зростання зубів шестерень по зовнішньому діаметру від 55,0 до 55,9 мм мало позначається на коефіцієнті подачі насоса (рис. 10). Експерименти підтвердили теоретичні дані про те, що при радіальних втратах тертя перетікаючої робочої рідини відбувається не по поверхнях деталей насоса, а між шарами самої рідини.

Рис. 10. Експериментальні залежності товщини зуба на вершині шестерні - 1 і коефіцієнта подачі шестеренного насоса - 2 від зовнішнього діаметра зубів шестерень.

Ресурсними прискореними випробуваннями встановлено, що шестерні, відновлені контактним наварюванням порошків складу 50% ФБХ-6-2+40% КХНП-20 + 10% TiС, мають зносостійкість у 3,83 рази вищу, ніж зносостійкість серійних шестерень. Зносостійкість корпусу при роботі в сполученні з відновленими таким матеріалом шестернями в 1,4 рази вища, ніж при роботі з серійними шестернями. В цілому ж зносостійкість радіального спряження насоса “корпус - шестерня” перевищує зносостійкість серійних в 1,92 рази.

Підвищення зносостійкості радіального спряження є матеріальною основою підвищення довговічності відремонтованих насосів. Ресурс насосів, відремонтованих за пропонованою технологією та укомплектованих шестернями, відновленими контактним наварюванням порошкових матеріалів під ремонтний розмір вказаного складу, становить 3927 ± 38 годин, що на 31% вище від серійного.

При проведенні експлуатаційних випробувань в АТП 13555 м. Кіровограда на транспортні засоби було встановлено 16 насосів, відремонтованих за технологією, що пропонується. Через рік експлуатації при середньому напрацюванні 850 годин була здійснена перевірка технічного стану насосів, поставлених на експлуатаційні випробування. Дослідження показали, що насоси після року експлуатаційних випробувань перебували у справному стані, забезпечували тиск і подачу в заданих межах відповідно до вимог ГСТУ 3-25-180-97.

У шостому розділі за результатами досліджень розроблена технологія ремонту шестеренних насосів шляхом відновлення і зміцнення шестерень під ремонтний розмір. Основні операції ремонту насосу передбачають розбирання, миття, дефектування деталей, ремонт шестерні, корпусу, складання, обкатування та випробування. Ремонт шестерень полягав у шліфуванні зношених поверхонь зубів з метою видалення дефектного шару, нанесення покриття контактним наварюванням з одночасною ТЦО, механічній обробці цих поверхонь до ремонтного розміру. Наведено категорії ремонтних розмірів елементів шестерень, виконання яких забезпечує номінальну об’ємну подачу насоса.

Результати досліджень прийнято до впровадження у ВАТ “Старокримське підприємство “Сельхозтехника”. Економічна ефективність від впровадження технології ремонту шестеренних насосів, що пропонується, складає 77 грн. на один насос.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що провідним видом зношування робочих поверхонь шестерень є абразивне. Зношення цапф і зубів шестерень по зовнішньому діаметру має рівномірний характер, а евольвентного профілю і торців зубів - нерівномірний.

2. Зношення елементів шестерень підкоряється закону розподілу Вейбула, зношення шліців ведучої шестерні по ширині - експоненціальному закону, що свідчить про те, що ці елементи шестерень не реалізують закладений у них ресурс. Це пояснюється недостатнім ресурсом спряження “корпус-шестерня” та швидким зношенням вершин зубів шестерень.

3. Вперше розроблена статистична модель взаємозв'язку зношувань зубів шестерень по ширині вінця і по зовнішньому діаметру від зношування цапф, а також евольвентного профілю і шліців по ширині від зношування шийки ведучої шестерні під ущільнення. Модель представлена у вигляді системи лінійних рівнянь регресії і дає можливість із заданою достовірністю визначити зношення поверхонь шестерень за відомим зносом цапф і шийки ведучої шестерні під ущільнення.

4. Вперше отримано аналітичні залежності для визначення ступеня впливу зношень елементів шестерень на працездатність насоса, а також залежність для визначення граничного зносу зубів шестерень по зовнішньому діаметру, який визначається граничним коефіцієнтом перекриття зубчатого зачеплення =1.

5. Теоретично обґрунтовано принципову можливість ремонту шестерень насосів НШ під ремонтний розмір збільшенням до максимального зовнішнього діаметру зубів. Доведено, що збільшення зовнішнього діаметра зубів шестерень при їх ремонті контактним наварюванням порошкових матеріалів істотно не позначається на збільшенні втрат через зазор “корпус-шестерня”. Встановлено, що максимальним розміром зовнішнього діаметру зубів шестерень для насосів типорозмірів НШ- 32У, НШ-46, НШ-50 є De=56,0 мм.

6. Запропоновано спосіб та схему технологічного процесу контактного
наварювання порошкового матеріалу на зношені вершини цементованих зубів шестерень насосів НШ з одночасною термоциклічною обробкою, що дозволяє отримати якісне високозносостійке покриття, здатне протистояти абразивному зносу, вибрано матеріал для нанесення покриття (Патент України № 73242 B23Р6/00, B23К11/06). Встановлено, що найбільшою зносостійкістью характеризується покриття з порошкової суміші складу: 50% ПГ-ФБХ-6-2+40% КХНП-20+10% TiC.

7. Для забезпечення міцності зчеплення покриття з основою на зріз ?ср = 209 МПа визначено оптимальний режим контактного наварювання: величина імпульсу струму - І=14,0 кА, тиск пресування порошку - Р = 37 МПа, тривалість імпульсу струму - t=0,4 с, число циклів при термоциклічній обробці - n = 6.

8. Ресурсними стендовими прискореними випробуваннями встановлено, що зносостійкість корпусів насосів, які працюють у спряженні з шестернями, відновленими контактним наварюванням порошкової суміші складу 50% ПГ-ФБХ-6-2+40% КХНП-20+10% TiC, в 1,4 рази перевищує зносостійкість корпусу при роботі у спряженні з серійними шестернями. Зносостійкість шестерень, відновлених контактним наварюванням порошку цього складу, перевищує зносостійкість серійних шестерень у 3,83 рази. В цілому ж зносостійкість радіального спряження в 1,92 рази вища від серійного, що стало матеріальною основою для збільшення гамма-процентного ресурсу насоса, відремонтованого за технологією, що пропонується, до 3927 годин.

9. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження технологічного процесу ремонту насоса з використанням розробленого способу відновлення шестерень складає 77 грн. на один насос.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Патент України № 73242 B23Р6/00, B23К11/06 Спосіб електроконтактного наварювання зносостійких порошкових матеріалів на цементовані клиноподібні поверхні/Кропівний В.М., Русских В.В., Кулєшков Ю.В., Красота М.В., Саловський В.С., Магопець С.О. Опубл. 15.06. 2005. Бюл. № 6.

2. Кропивный В.Н., Кулешков Ю.В., Русских В.В. Влияние износа деталей шестеренного насоса на его работоспособность/ Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин.- Кіровоград КДТУ.- 2003.- Випуск № 33.- С. 264 - 271.

3. Русских В.В. Кропивный В.Н., Кулешков Ю.В., Шепеленко И.В. Классификация методов ремонта шестеренных насосов. / Збірник наукових праць Кіровоградського національного технічного університету. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація сільськогосподарських машин.- Кіровоград КНТУ.- 2005.- Випуск № 16.- С. 206 - 210.

4. Кропивный В.Н., Кулешков Ю.В., Русских В.В. Основные принципы выбора материала для восстановления и упрочнения шестерен насосов НШ контактной наваркой износостойких композиционных порошковых материалов. / Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин.- Кіровоград КДТУ.- 2005.- Випуск № 35.- С. 72 - 77.

5. Кропивный В.Н., Русских В.В., Кулешков Ю.В., Бевз О.В. Анализ способов восстановления шестерен насосов НШ. / Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин.- Кіровоград КДТУ.- 2005.- Випуск № 35.- С. 101 - 109.

6. Кропивный В.Н., Кулешков Ю.В., Русских В.В. Технология восстановления и упрочнения шестерен насосов НШ контактной наваркой износостойких композиционных порошковых материалов под увеличенный ремонтный размер. / Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету.- Кременчук.- Випуск 6/2005 (35). - С. 131 - 135.

7. Кропивный В.Н., Кулешков Ю.В., Русских В.В. Исследование влияния износов элементов шестерен на объем рабочей камеры шестеренного насоса. / Збірник наукових праць Кіровоградського національного технічного університету. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація.- Кіровоград КНТУ.- 2006.- Випуск №17.- С. 32 - 39.

8. Кропивный В.Н., Кулешков Ю.В., Русских В.В. Выбор материала для восстановления и упрочнения шестерен насосов НШ контактной наваркой износостойких композиционных материалов. / Збірник наукових праць Кіровоградського національного технічного університету. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація.- Кіровоград КНТУ.- 2006.- Випуск №17.- С. 128 - 133.

Анотація

Русских В.В. Підвищення ефективності ремонту шестеренних насосів гідросистем транспортних засобів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 – експлуатація і ремонт засобів транспорту. - Національний транспортний університет, Київ, 2007.

Дисертація присвячена розробці ресурсозберігаючої технології ремонту шестеренних насосів шляхом відновлення його шестерень контактним наварюванням зносостійких композиційних порошкових матеріалів на вершини зубів із наступною термоциклічною обробкою, що дає змогу збільшити довговічність насоса та зменшити витрати на його ремонт.

У теоретичній частині доведена необхідність і можливість ремонту шестеренних насосів під ремонтний розмір.

В експериментальній частині визначено склад порошкового матеріалу: 50% ПГ – ФБХ – 6 – 2 + 40% КХНП – 20 + 10% TiС та оптимальний режим контактного наварювання: величина струму - I =14,0 кА, тиск пресування порошку - Р=37,0 МПа, тривалість імпульсу струму - t = 0,4 с і число циклів термоциклічної обробки - n = 6, при яких досягається максимальна міцність зчеплення покриття з основою.

Ресурсними стендовими прискореними випробуваннями встановлено, що зносостійкість корпусів насосів, які працюють в спряженні з шестернями, відновленими контактним наварюванням порошку складу 50% ПГ – ФБХ – 6 – 2 + 40% КХНП – 20 + 10% TiC, в 1,4 рази перевищує зносостійкість корпусу при роботі у спряженні з серійними шестернями. Зносостійкість шестерень, відновлених контактним наварюванням порошку цього складу, перевищує зносостійкість серійних шестерень у 3,83 рази. В цілому ж зносостійкість радіального спряження в 1,92 рази вища, ніж у серійного насоса, що стало матеріальною основою збільшення гамма-процентного ресурсу насоса, відремонтованого за технологією, яка пропонується, до 3927 годин, що на 31 % вище за серійний насос.

Ключові слова: шестеренний насос, ремонт, контактне наварювання зносостійких композиційних порошкових матеріалів, термоциклічна обробка, технологічний процес відновлення і зміцнення шестерень, об’єм робочої камери, ремонтний розмір, подача, коефіцієнт подачі.

Аннотация

Русских В.В. Повышение эффективности ремонта шестеренных насосов гидросистем транспортных средств. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 – эксплуатация и ремонт средств транспорта. - Национальный транспортный университет, Киев, 2007.

Диссертация посвящена разработке эффективной ресурсосберегающей технологии ремонта шестеренных насосов НШ под ремонтный размер путем восстановления его шестерен под ремонтный размер контактной наваркой износостойких композиционных порошковых материалов с одновременной термоциклической обработкой, что позволяет повысить долговечность отремонтированных насосов и снизить затраты на их ремонт.

Анализ литературных источников показал, что радиальное сопряжение “шестерня - корпус” является одним из основных сопряжений, во многом определяющих работоспособность шестеренного насоса. Это дало возможность установить технический уровень известных способов восстановления и упрочнения шестерен насоса и предложить классификацию известных методов ремонта насосов с точки зрения способа устранения радиального зазора.

При исследовании технического состояния изношенных шестерен установлено, что основным видом износа является абразивный износ. Износ элементов шестерен носит неравномерный характер. Увеличивается шероховатость рабочих поверхностей шестерен. Помимо количественных характеристик износов элементов шестерен в виде точечных и интервальных характеристик, а также законов распределения износов, были получены статистические модели изношенных поверхностей в виде корреляционных взаимосвязей износов элементов шестерен.

Теоретические исследования позволили аналитически показать определяющую степень влияния износов элементов шестерен на работоспособность насоса, обосновать предельно допустимые износы шестерен насоса по диаметру, доказать принципиальную возможность ремонта насосов НШ под ремонтный размер. Теоретическими исследованиями показано, что изменение отдельных параметров зубчатого зацепления при восстановлении шестерен под ремонтный размер правомерно и не вызывает существенного изменения в работоспособности насоса. Доказана рациональность восстановления шестерен насоса под ремонтный размер.

Экспериментальные исследования контактной наварки на цементированные поверхности вершин зубьев шестерен с одновременной термоциклической обработкой позволили определить оптимальный режим, при котором прочность сцепления нанесенного покрытия с цементированной основой вершин зубьев шестерен достигает максимального значения: величина тока наварки - I=14,0 кА, давление прессования порошка - Р=37,0 МПа, продолжительность импульса тока - t = 0,4 с и число циклов при термоциклической обработке - n = 6.

Исследовались основные физико-механические характеристики, лимитирующие надежность и работоспособность покрытия: прочность сцепления с основой, микротвердость и износостойкость покрытия.

Выбор состава порошкового материала проводился в несколько этапов. На первом этапе осуществлялся выбор матрицы порошкового материала, методом сравнения микротвердости покрытий. На втором этапе проводили выбор состава порошкового материла путем исследования покрытий на относительную износостойкость.

Следующий этап заключался в металлографических исследованиях на предмет получения высокоизносостойкой, прочной, мелкозернистой структуры, способной противостоять абразивному износу.

Ресурсные ускоренные стендовые испытания шестерен, восстановленных контактной наваркой, подтвердили результаты лабораторных испытаний материалов на износостойкость, позволили окончательно установить, что наибольшей износостойкостью обладает порошковый материал состава 50% ФБХ – 6 – 2 + 40% КХНП – 20 + 10% TiС. Шестерни, восстановленные контактной наваркой этого состава, превосходят износостойкость серийных шестерен в 3,83 раза. Корпуса насосов, работающих в сопряжении с шестернями, восстановленными контактной наваркой, обладают износостойкостью в 1,4 раза превосходящей износостойкость корпуса при работе в сопряжении с серийными шестернями. В целом же износостойкость радиального сопряжения “корпус-шестерня” в 1,92 раза выше серийного, что позволило повысить 90% гамма-процентный ресурс отремонтированного по предлагаемой технологии насоса на 31%.

Предложена и исследована ресурсосберегающая технология ремонта шестеренных насосов под ремонтный размер с использованием восстановленных и упрочненных шестерен. Разработаны рекомендации и дана технико-экономическая оценка восстановления и упрочнения шестерен и ремонта насоса. Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 77 грн на один насос.

Ключевые слова: шестеренный насос, ремонт, контактная наварка износостойких композиционных порошковых материалов, термоциклическая обработка, восстановление и упрочнение шестерен, объем рабочей камеры, ремонтный размер, подача, коэффициент подачи.

SUMMARY

Russkikh V.V. Improvement of efficiency of gear pumps repair of hydraulic systems of transportation facilities. – Manuscript.

Dissertation on getting of scientific degree of the Candidate of engineering (technical) sciences on speciality 05.22.20 – exploitation and repair of transportation facilities. – National transport university, Kyiv, 2007.

The dissertation is dedicate to development of resources-saving technology of gear pump repair for a repair dimension used reconstruction of its gears by the contact welding-on of wear-resistant compositions powdered materials with next thermocyclical treatment that gives the possibility of increasing of pumps durability and decreasing of expenses to its repair.

In theoretical part advanced reasons for the necessity and possibility of gear pumps repair for a repair dimension.

In experimental part determined the composition of powdered material: 50% ПГ-ФБХ-6-2 + 40% КХНП-20 + 10% TiС and the optimal conditions of the contact welding-on: value of current impulse I=14,0 kA, pressure of powder pressing – P=37,0 MPa, time of current impulse t=0,4 sec and number of cycles of thermocyclical treatment – n=6, with which is achieved the maximal strength of engagement of coating with base.

Used the resources bench accelerated tests is determined that the wear-resistance of gear pumps corps, which work in the engagement with gears restored by the contact welding-on of powder in composition 50% ПГ-ФБХ-6-2 +