Східноукраїнський національний університет

Полтавченко Сергій Вадимович

УДК 621.81.004.6:621.762

Відновлення працездатності поверхонь деталей машин детонаційними та металополімерними покриттями

Спеціальність: 05.02.02 – Машинознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Луганськ – 2000

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Одеському державному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Білоконєв Ігор Максимович,

Одеський державний політехнічний університет, професор кафедри "Теоретична механіка і машинознавство".

Офіційні опоненти : доктор технічних наук, професор Євдокімов Вадим Дмитрович,

Одеський державний морський університет, завідувач кафедри "Судноремонт";

кандидат технічних наук, доцент Ніколєнко Ілля Вікторович,

Одеський державний сільськогосподарський інститут, доцент кафедрі "Експлуатація і ремонт МТП".

Провідна установа: Технологічний університет Поділля (м. Хмельницький), кафедра

"Машинознавство".

Захист відбудеться 30.11. 2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д29.051.03 при Східноукраїнському державному університеті за адресою:

91034, м. Луганськ, квартал Молодіжний, 20а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського державного університету за адресою: 91034, м. Луганськ, квартал Молодіжний, 20а.

Автореферат розісланий 30.10.2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д29.051.03 Осенін Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Сучасний стан машинобудування на Україні характеризується швидким старінням машинного парку. Кризові явища торкнулися й традиційних ремонтних технологій. Різко знизилося виробництво запасних частин на підприємствах України, зменшився обсяг їх імпорту за одночасного зростання цін. Як наслідок, скоротилися можливості здійснення ремонту машин шляхом заміни запасними частинами деталей, що втратили свою працездатність. Внаслідок такої загальної ситуації в економіці організації, які експлуатують машини, створюють власні служби ремонту та застосовують розроблені ними ремонтні технології.

У результаті цього в більшості випадків має місце низька якість ремонту, що, в свою чергу, призводить до скорочення терміну служби машин. У зв'язку з викладеним набувають актуальності сучасні типові ремонтні технології, що дозволяють відновлювати працездатність деталей машин за виробничих умов, характерних для підприємств та організацій, що експлуатують машини. Одним з напрямків сучасних ремонтних технологій є застосування типових процедур та ремонтних матеріалів, базованих на використанні покриттів з композиційних матеріалів для відновлення форм і розмірів непрацездатних деталей.

Звичайно такі матеріали застосовуються у відновленні деталей машин, що вийшли з ладу або втратили свої експлуатаційні властивості через зношування робочої поверхні, зниження її антифрикційних показників, виникнення задерть, вибоїн, зламів закраїн та інших подібних ушкоджень. У таких випадках відновлення деталей найчастіше більш доцільне, ніж їх заміна, бо ресурс їхньої працездатності не вичерпано.

Актуальність теми полягає в розробці типових засобів відновлення працездатності деталей машин з використанням сучасних ремонтних технологій на основі застосування композиційних покриттів, нанесених газотермічними методами, і металополімерних покриттів. Запропоновані методи засновані на аналізі існуючих методів відновлення, вибору необхідного типу сучасних композиційних матеріалів для відновлення деталей пар тертя у машинах, розробці методики прогнозування працездатності з'єднання і зміни антифрикційних характеристик поверхонь деталей.

Мета і задачі дослідження містяться в одержанні залежностей для оцінки зносостійкості, антифрикційних властивостей і фізико-механічних характеристик деталей, відновлених нанесенням газотермічних і металополімерних покриттів, дослідження їхньої контактної взаємодії з матеріалом відновлюваних деталей, здійснення експериментальної оцінки працездатності відновлених деталей. Для рішення цих задач вирішені питання:

- оцінки характеристик густини покриттів, зносостійких і антифрикційних характеристик покриттів відновлюваних деталей, встановлення емпіричних залежностей для визначення їхніх значень;

- розроблено рекомендації на вибір найкращих сполучень матеріалів покриттів і відновлюваних деталей за зносостійкістю та антифрикційними властивостями;

- створено на основі теоретичних і експериментальних досліджень розрахункові залежності, що зв'язують характеристики тривкості зчеплення композиційних покриттів із матеріалом деталі, антифрикційними і спрацювальними характеристиками, з обліком умов навантаження й експлуатації деталей.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

· експериментально отримано зносні та антифрикційні характеристики найширше застосовуваних у відновленні деталей загальномашинобудівного призначення композиційних детонаційних та металополімерних покриттів;

· отримано розрахункові залежності, що дозволяють прогнозувати зміну зносних та антифрикційних характеристик відновлених деталей.

Практична цінність отриманих результатів полягає у розробці рекомендацій з відновлення деталей машин шляхом застосування композиційних детонаційних та металополімерних покриттів. Отримані під час дослідження залежності дають можливість прогнозувати ресурс працездатності відновлених деталей. Проведено апробацію технологічних засобів відновлення робочої поверхні деталей реальних машин: крильчаток суднових помп високої продуктивності, штоків циліндрів підйому апарель морських поромів, центруючої поверхні фланцевих з'єднань, пошкоджень труб трубопроводів тощо. Рекомендації стосовно відновлення непрацездатних деталей застосовано під час ремонту зазначених деталей на суднах суднохідної компанії “УкрФЕРРІ”, на Одеському трубному заводі АТ “РЕЗОН”, Нижньодніпровському трубопрокатному заводі у м. Дніпропетровську.

Особистий внесок здобувача за матеріалами, відбитими у спільних публікаціях, полягає в розробці технологічних прийомів, застосовуваних у відновленні деталей, що втратили працездатність, здійсненні експериментальних досліджень зразків з детонаційними та металополімерними покриттями та встановленні на основі дослідженого емпіричних залежностей для оцінки працездатності відновлених деталей.

Апробація результатів дослідження. Основні положення дисертації було викладено, обговорено та схвалено на: Зональній нараді з застосування сучасних ремонтних технологій з використанням металополімерних матеріалів, що відбулася в Одеському державному політехнічному університеті у 1995р.; на міжнародних конференціях “MikroCAD'97”, “MikroCAD'98” в Угорщині, м. Мішкольц; на міжнародній конференції та ярмарку-виставці “Технологія ремонту машин і механізмів” РЕМОНТ-98, Київ, у 1998р.; на розширеному засіданні кафедри “Машинознавство та деталі машин” Одеського державного політехнічного університету у 1999 р.

Публікації. Результати дисертаційного дослідження викладено в 7 публікаціях, з яких 5 – у матеріалах міжнародних конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків за результатами дослідження з рекомендаціями щодо їх застосування, списку використовуваної літератури, що нараховує 116 найменувань літературних джерел, документів, що засвідчують впровадження результатів дослідження у відновленні працездатності реальних механізмів. Дисертація складає 181 сторінок друкованого тексту, містить 19 рисунків і фотографій, 6 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі до дисертаційної роботи відбито дані, що потверджують важливість питань, розв'язанню яких присвячена дисертація, сформульовано мету дослідження, його актуальність, обгрунтовано наукову новизну отриманих результатів, зазначено розв'язані наукові задачі. Крім того, наведено міркування щодо практичної значущості отриманих результатів та дані щодо їх апробації при застосуванні у відновленні деталей конкретних механізмів.

У першому розділі здійснено аналіз літературних джерел, практичних результатів та фірмових рекомендацій щодо застосування методів відновлення працездатності деталей технікою композиційних покриттів. Сучасне машинобудування застосовує різноманітні методи відновлення геометричних розмірів та форм деталей машин, порушених внаслідок зносу або інших пошкоджень, шляхом нанесення металевих та композиційних покриттів. Як наслідок, ліквідуються дефекти поверхні, відновлюються зносостійкість та інші антифрикційні характеристики поверхні з'єднань, що підлягають тертю.

До цього типу покриттів відносять: газотермічні (газополум”яні, плазмові, детонаційні), електрохімічні, гальванічні, вакуумні, газофазні та ін. Принципи їх нанесення базуються на використанні гарячих робочих середовищ, - газових сумішей, електролітів тощо. Такі методи є промисловими і їх використання пов'язано зі значними витратами. Їх застосування вимагає обладнаних приміщень, кваліфікованого персоналу, спеціальних пристроїв і т. ін. Економічно доцільним воно може бути лише за умов широкої номенклатури та великих серій відновлюваних деталей для поновлення працездатності частин, що втратили вихідні форму та розміри.

На підставі аналізу технологій відновлення працездатності деталей методами нанесення покриттів, що базуються на застосуванні гарячих робочих середовищ, у розділі наводиться висновок, що для відновлення деталей загальномашинобудівного застосування за виробничих умов неспеціалізованого підприємства, характерних для експлуатації машин різноманітного призначення, найдоцільнішим є детонаційний метод нанесення покриттів.

Засоби відновлення деталей шляхом нанесення покриттів з використанням гарячих робочих середовищ мають загальний недолік – необхідність розбирання механізмів та нанесення покриттів на спеціальному обладнанні. Це зумовлює високу вартість ремонтних технологій і тому для деяких випадків відновлення деталей стає економічно недоцільним. У цьому зв'язку останнім часом набули поширення технології відновлення деталей металополімерними матеріалами з використанням металопластиків та мультиметалів – двокомпонентних зі зв”язуючої полімерної субстанції та металевих порошків матеріалів, що відповідають матеріалу відновлюваних деталей. Металопластики й мультиметали дають можливість просто та ефективно нарощувати, підганяти та ущільнювати зношені деталі. Завдяки надзвичайно високому вмісту (92 … 96%) металу у суміші, відремонтовані ділянки деталей є твердими, безусадковими, мають добру зчіплюваність з поверхнею основного металу. Відновлені ділянки деталей добре обробляються та мають зносні й антифрикційні властивості практично аналогічні основному металу.

Для відновлення зношених деталей машин загального призначення за виробничих умов найбільш зручними є металополімери на основі мультиметалів та металопластиків. Вони дозволяють відновлювати деталі практично без розбирання машинних вузлів зі застосуванням елементарних пристроїв та інструментів. Обробка поверхні відновлюваних деталей здійснюється або на звичайних верстатах, або за місцем ремонту зі застосуванням турбінок, насадних кругів, фрез тощо. Вартість відновлених металополімерами деталей відносно низька завдяки простоті технології, малим витратам матеріалів та відсутності потреби у спеціальному устаткуванні. Застосування фірмових металополімерних матеріалів з сертифікатами якості гарантує екологічну безпеку порівняно з технологічними процесами, розроблюваними на ремонтних підприємствах.

На підставі аналізу літературних джерел та оцінки технологічних можливостей застосування різних покриттів для відновлення працездатності деталей було зроблено висновок щодо типів покриттів, найбільш придатних для відновлення деталей загальномашинобудівного призначення. За фізико-механічними характеристиками та доступною вартістю застосовуваного обладнання такими є детонаційні покриття, - з покриттів, отримуваних при застосуванні гарячих робочих середовищ, - та металополімерні покриття на основі металопластиків й мультиметалів, що наносяться при використанні холодних робочих середовищ.

Другий розділ дисертації присвячено розгляду питань, пов'язаних з вибором композиційних матеріалів для покриттів та технологічних шляхів їх нанесення при відновленні деталей. У розділі здійснена класифікація різних типів детонаційних покриттів, залежно від типу пошкодження та глибини його проникнення у матеріал підложки деталі. Це дозволило дійти висновку, що для відновлення зношеної поверхні деталей найбільш доцільним є застосування покриттів на основі нікелю з додаванням кобальту та хрому або алюмінію й кремнію з порошкових сумішей КХН (62% Ni – 18% Cr – 20% Co) та HAC (72% Ni – 24% Al – 6% Si). Ці порошкові суміші є серійно продукованими на Україні та мають сертифікати якості. Окрім того, в Україні виробляється устаткування для нанесення детонаційних покриттів та існують рекомендації Інституту проблем матеріалознавства НАН України з іх застосування у різноманітних випадках відновлювальних робіт.

Технологію нанесення детонаційних покриттів КХН та НАС було апробовано при відновленні поршнів аксіально-поршньової гідромашини АПГ-310.224 виробництва Одеського заводу “Стройгидравлика ”. Поршні виготовлено з матеріалу Сталь 38 ХМЮА. Товщина покриттів НАС та КХН, що наносяться на підложку відновлюваних поршнів, складала 220 мкм згідно заданого припуску на механічну обробку. Після шліфування поршнів здійснювалася їх притирка з блоком циліндрів.

Аналогічний аналіз було проведено щодо застосування металополімерних покриттів на основі металопластиків та мультиметалів, які наносяться з використанням холодних робочих середовищ. У тезі зроблено висновок, що металополімерні покриття вітчизняного виробництва не мають гарантованих якісних характеристик. У відкритому друку не наведено відомостей, що дозволили б з достатньою певністю зробити висновок стосовно показників працездатності відновлених деталей. До того ж відсутні дані щодо сертифікації металополімерних покриттів. Партії металополімерних покриттів вітчизняного виробництва невеликі, а вартість їх висока. Здійснений аналіз продемонстрував, що на даний час більш доцільним є застосування металополімерних покриттів закордонних фірм, представлених на ринках України. Вони апробовані для застосування у відновленні деталей та мають гарантовані якісні характеристики. Разом з тим, закордонні фірми не дають гарантій щодо якісних показників відновлених деталей, покладаючи відповідальність за виконання таких робіт на їх виконавця.

Виходячи з цього було розроблено технологічні прийоми відновлювальних робіт з ліквідації типових для ряду загальномашинобудівних деталей ушкоджень їх поверхні. Окрім безпосереднього нанесення металополімерів, сюди входять етапи підготування поверхні до нанесення покриттів, її очищення, підготування поверхні підложки для нанесення покриття. Ці операції виконуються з метою забезпечити міцність зчеплення матеріалів покриття та підложки відновлюваної деталі. У розділі наведено рекомендації з ліквідації пошкоджень типу тріщин, пустот, отворів, зношених ділянок поверхні тертя деталі, кавітаційних ушкоджень тощо.

У розділі описано відновлення деталей реальних механізмів. За допомогою металопластику “Суперіор” на сталевій основі (див. табл. 2.2.) було відновлено шток гідроциліндру підйому апарелі теплоходу “Катя Зелененко” суднохідної компанії “УкрФЕРРІ”. Діаметр штоку – d =180 мм, довжина – l = 2500 мм. Характер пошкодження – абразивний та корозійний знос поверхні штоку у місці його дотикання до манжети ущільнювального вузла при положенні циліндру, характерному для піднятої апарелі. Причина пошкодження – знакозмінний знос через рух апарелі при хитанні судна. Крім того, розвитку зносу сприяє дія морської води та абразиву при потраплянні на поверхню штоку. Пошкодження було сформоване як кільцьова виробка шириною » 20 мм з глибиною ушкодження 0,1 … 2 мм. Найбільша величина зносу спостерігалася приблизно по середині виробки.

Металополімерними покриттями зі застосуванням армуючих пластин було відновлено поверхні бронзових крильчаток баластних помп порому “Герои Шипки” суднохідної компанії “УкрФЕРРІ”. Поверхня лопастей крильчаток постраждала від кавітаційного зносу, внаслідок якого змінився профіль лопастей, а їх стінки потоншали. Це призводило до з'явлення шуму та вібрацій при роботі помпових систем, їх деформування та навіть пошкодження кінців лопастей. Враховуючи високу вартість крильчаток, - за умови фірмового постачання вона складає 800 $ США за кожну, при загальній кількості 9 одиниць у системі баластних помп, - було прийнято рішення відновити їх за допомогою металополімерних покриттів. На рис.1 та рис.2 відповідно наведено фотографії цих відновлених деталей.

На підставі дослідження та результатів відновлення деталей конкретних машин у розділі опрацьовано рекомендації щодо організації виконання відновлювальних робіт зі застосуванням детонаційних та металополімерних покриттів для типових випадків пошкоджень поверхні деталей машин.

У третьому розділі розглянуто питання, пов'язані з вибором критеріїв працездатності деталей, відновлюваних із застосуванням детонаційних та металополімерних покриттів. Було доведено, що фізична сутність опору руйнуванню прикордонного шару за умов зчеплення матеріалу покриття з матеріалом підложки для детонаційних покриттів та покриттів з металопластиків та мультиметалів є різною. Таким чином, при дослідженні працездатності деталей, відновлюваних за допомогою покриттів, оцінка міцності зчеплення нанесеного покриття з матеріалом відновлюваної деталі має здійснюватися за різними розрахунковими моделями. Залежно від типу покриття та способу його нанесення зона руйнування може знаходитись в шарах міжфазової структури або на міжфазній межі (рис. 3).

Для оцінки міцності зчеплення покриття з матеріалом підложки у цій праці за базові було взято теоретичні залежності, опрацьовані В.М. Александровим та С.М. Мхитаряном. З тієї причини, що їх було отримано на засадах чисто теоретичних розв'язань, для оцінки міцності зчеплення покриття з матеріалом підложки застосовувано розроблений у ОДПУ іншими дослідниками, праці котрих наведено у переліку джерел, програмний комплекс їх реалізації. Реалізовуваний ним алгоритм враховує фізико-математичні характеристики матеріалів покриття та підложки, розміри відновлюваної зони, експериментальні поправки, отримані для різних зон руйнування, для різних типів покриття. Програмний комплекс та результати розрахунків наведено у додатку до дисертації.

На рис.4. наведено приклад розрахунку відновленої кришки помпи порому “Герои Шипки”, у фланці якої було виявлено тріщину, що під час ремонту призвела до виломлення частини посадкової поверхні.

Для визначення зносних та антифрикційних характеристик працездатності відновлених деталей було прийнято залежності, чия структура відповідає залежностям, запропонованим І.В. Крагельским для розрахунку подібних характеристик. У їх основу було покладено результати експериментального дослідження, викладеного у четвертому розділі.

У четвертому розділі дисертаційного дослідження наведено результати експериментальних досліджень, пов'язаних з визначенням значень параметрів зносостійкості та антифрикційних властивостей детонаційних та металополімерних покриттів, що є рекомендованими до застосування у відновленні працездатності деталей машин. Метою експериментального дослідження зносостійкості є визначення даних за лінійним зносом зразків з покриттями із мультиметалів, металопластиків та детонаційних покриттів, визначення характеру зміни коефіцієнту тертя при роботі деталей з покриттями. Ці дані дозволили отримати емпіричні залежності для прогнозування працездатності деталей, відновлених шляхом нанесення покриттів. У розділі здійснено аналіз застосовуваних методів визначення цих властивостей та дано обгрунтування прийнятої методики експериментальних досліджень. Для вивчення зносу покриттів у роботі було використано машину тертя АЕ-5, що часто застосовується для визначення характеристик зносостійких та антифрикційних властивостей матеріалів. Методика проведення за її допомогою експериментальних досліджень відпрацьована, що дає підстави вважати результати достатньо вірогідними для вирішення задач загального машинобудування.

Було досліджено зразки, виконані згідно до паспортних даних машини АЕ-5 у вигляді циліндричних штифтів діаметром 6 мм та довжиною 12 мм. Зразки було фіксовано за допомогою пристрою, а поверхні, що не підлягали нанесенню покриття, були захищени спеціальними шаблонами. Перед початком випробувань зразки, зібрані у кондукторі, підганяються відносно перевірочної плити, а потім припрацьовуватися на випробувальній машині при підвищеному контактному тиску р = 2,4 МПа.

При виборі матеріалів покриттів для здійснення експериментальних випробувань була прийнята до уваги та вимога, що для відновлення деталей слід застосовувати такі матеріали, які, крім наявності належних триботехнічних характеристик, були б промислово освоєними та доступними споживачеві. Для створення детонаційних покриттів було застосовано композиційні порошкові матеріали КХН та НАС, а для мультиметалічних та металопластичних покриттів – бронзові та сталеві металопластики. У табл.1. наведено дані щодо матеріалу застосованих до зразків покриттів.

Таблиця 1.

Характеристики матеріалів покриттів, що склали

об'єкт експериментального дослідження

№ Марка матеріалу покриття Спосіб нанесення Хімічний склад, % Твердість покриттів, HV

1 Композит НАС, порошкова суміш Детонаційно-газове напилення 82 Ni, 14 Al, 6 Si 11000

2 Композит КХН, порошкова суміш Детонаційно-газове напилення 62 Ni, 18 Cr, 20 Co 10800

3 Мультиметал "Стандарт", порошкова суміш Ручне формування 90-бронза, 10-фірмовий отверджувач 3000

4 Металопластик "Якість суперіор" Ручне формування 90-сталь, 10-фірмовий отверджувач 4500

Для експериментального дослідження та відновлення деталей було застосовано мультиметали та металопластики фірми “Diamant” (ФРГ), а порошкові матеріали – виробництва заводу металічних порошків у м. Бровари.

З метою визначення характеристик детонаційних покриттів здійснено випробування таких пар тертя: сталь 45 – сталь 45; сталь 45 – сталь 45 з покриттям НАС; сталь 45 – сталь 45 з покриттям КХН; сталь 45 з покриттям НАС – сталь 45 з покриттям КХН. Для визначення характеристик металополімерних покриттів випробування здійснювали для пар тертя: бронза БРО12 – бронза БРО12; бронза БРО12 – бронза БРО12 з покриттям на основі мультиметалу “Стандарт”; сталь 45 – сталь 45 з покриттям на основі металопластику “Якість суперіор”; бронза БРО12 з покриттям на основі мультиметалу “Стандарт” – бронза БРО12 з покриттям на основі мультиметалу “Стандарт”.

За результатами експерименту було визначено залежності між ступенем зносу Dh та шляхом тертя Т а також між значенням коефіцієнту тертя f та контактним тиском р. Результати було опрацьовано з метою отримання емпіричних залежностей для визначення ресурсу працездатності деталей, відновлених за такими поєднаннями матеріалу підложок та покриттів. Ці залежності наведено у табл. 2.

Таблиця 2.

Емпіричні залежності для зносних та

антифрикційних характеристик відновлених деталей

для різних матеріалів покриттів та підложок

Пара тертя Ступінь зносу, Dh , мм Коефіцієнт тертя, f

Детонаційні покриття

Сталь 45 – сталь 45 fp0,232= 0,0488

Сталь 45 – сталь 45 з покриттям НАС fp0,296= 0,0313

Сталь 45 – сталь 45 з покриттям КХН fp0,351 =0,0366

Сталь 45 з покриттям НАС – сталь 45 з покриттям КХН fp0,312= 0,0286

Металополімерні покриття

Бронза БРО12 - бронза БРО12 fp0,319= 0,0405

Бронза БРО12 - бронза БРО12 з покриттям на основі мультиметалу“Стандарт” fp0,322= 0,0398

Сталь 45 – сталь 45 з покриттям на основі металопластику “Якість суперіор” fp0,358= 0,001

Бронза БРО12 з покриттям на основі мультиметалу“Стандарт” – сталь 45 з покриттям на основі металопластику “Якість суперіор” fp0,322= 0,0398

Здійснений аналіз результатів експериментальних досліджень довів, що для деталей детонаційних покриттів найбільшу зносостійкість має пара тертя сталь 45 з покриттям НАС – сталь 45 з покриттям КХН. Середнє значення ступеню зносу для цієї пари у 6,7 разів менше, ніж у пари тертя сталь 45 – сталь 45 з покриттям НАС; у два рази менше, ніж у пари тертя сталь 45 – сталь 45 з покриттям КХН. Кращі антифрикційні властивості та найменші значення коефіцієнту тертя має пара тертя сталь 45 з покриттям НАС – сталь 45 з покриттям КХН. Середнє значення коефіцієнту тертя у цієї пари в 1,7 разів менше, ніж у пари тертя сталь 45 – сталь 45, у 1,5 разів менше , ніж у пари тертя сталь 45 з покриттям НАС – сталь 45 з покриттям КХН.

Для металополімерних композицій покриття на основі мультиметалу “Стандарт” та металопластику ”Якість суперіор” мають високі антифрикційні характеристики та зносостійкість за достатньої міцності зчеплення з матеріалом підложки, - у процесі експерименту покриття не мали зколів, тріщин та відшарувань. Найбільшу зносостійкість має пара тертя бронза БРО12 з покриттям на основі мультиметалу “Стандарт” – сталь 45 з покриттям на основі металопластику “Якість суперіор”; середнє значення Dh цієї пари матеріалів у два і більше рази менше, ніж у пар тертя з інших матеріалів. Ця пара матеріалів має також найкращі антифрикційні властивості, - середнє значення коефіцієнту тертя f менше, ніж у пар тертя з інших матеріалів більш ніж на 20 %.

У розділі наведені дані з натурних випробувань відновлених деталей. Випробування помпи АПГ310.324 з відновленими поршнями провадились за постійного тиску р = 32 МПа та номінальної частоти обертання n = 650 об/хвил. Серійна та експериментальна пари тертя відпрацювали 586 годин. Довговічність була перерахована за величиною шляху тертя Т. Розрахунки показали, що ресурс працездатності відновлених покриттями поршнів складає біля 3000 … 3200 годин безперервної роботи. Помпа призначена для роботи приводу у повторно-короткочасному режимі за ПВ = 25 %. Це дозволяє зробити висновок, що розрахунковий ресурс відновлених поршнів не нижчий від ресурсу поршнів нової гідромашини.

Відновлені поверхні бронзових крильчаток баластних помп порому “Герои Шипки” суднохідної компанії “УкрФЕРРІ” знаходяться у експлуатації з вересня 1998 року. За цей час судно неодноразово здійснювало швартування у портах з завантаженням та розвантаженням вантажів. За цей час скарг чи рекламацій на відновлені крильчатки баластних помп не надходило, що дає підстави вважати за доцільне застосування металополімерних покриттів для відновлення деталей, ушкоджених кавітаційним зносом.

З грудня 1998 року знаходиться в експлуатації шток гідроциліндру підйому апарелі теплоходу “Катя Зелененко” суднохідної компанії “УкрФЕРРІ”. З часу ремонту судна теплохід безперервно знаходиться в плаванні, але зауважень щодо роботи штоку чи його зносу не надходило.

На підставі порівняння результатів натурних випробувань та розрахункових значень показників працездатності відновлених детонаційними та металополімерними покриттями деталей у розділі зроблено висновок стосовно можливості їх практичного застосування у цих цілях за розробленими технологічними рекомендаціями.

ВИСНОВКИ

1. Найбільш раціональними є методи відновлення працездатності деталей машин, що через дію корозійного чи абразивного зносу втратили свою вихідну геометричну форму та належні для нормального функціонування механізмів геометричні розміри, засновані на застосуванні композиційних металевих або металополімерних покриттів. Застосування композиційних металевих чи металополімерних покриттів для відновлення деталей дозволяє повністю використовувати їх ресурси працездатності.

2. При застосуванні матеріалів покриттів з фізико-механічними характеристиками, що відповідають властивостям матеріалів відновлюваних деталей, методи відновлення зі застосуванням металевих чи металополімерних покриттів виявляються економічно більш доцільними, ніж заміна пошкоджених деталей новими через високі ціни на запасні частини. Технології, засновані на їх застосуванні, дозволяють уникнути відновлення деталей на спеціалізованих ремонтних підприємствах, що зменшує загальні експлуатаційні витрати на обслуговування машинних агрегатів.

3. Проведений у дисертації аналіз різноманітних способів відновлення деталей, що базовані на різних фізичних принципах нанесення покриттів, виявив, що найбільш придатними для відновлення деталей загальномашинобудівного застосування за фізико-механічними характеристиками покриттів та доступною вартістю задіяного устаткування є детонаційні покриття – з покриттів, отримуваних шляхом застосування гарячих робочих середовищ, - та металополімерні покриття на базі металопластиків та мультиметалів, що наносяться шляхом застосування холодних робочих середовищ.

4. Здійснені дослідження дозволили розробити такі технологічні методи та прийоми відновлення працездатності деталей машин, що дозволяють їх використання за робочих умов організацій, що експлуатують машини, зі збереженням взаємозамінності деталей у машинах одного типу, відновленням фізико-механічних характеристик їх матеріалів до номінальних значень.

5. Розроблено технологічні прийоми ліквідації дефектів поверхні відновлюваних деталей, що дозволяє відновлювати деталі за типовими схемами залежно від характеру ушкодження деталі.

6. Здійснено оцінку зносостійкості, антифрикційних властивостей та фізико-механічних характеристик деталей, відновлюваних нанесенням покриттів, дослідження їх контактної взаємодії з матеріалом відновлюваних деталей, здійснено експериментальне дослідження з оцінки працездатності відновлюваних деталей. Ці дослідження дозволили підтвердити доцільність запропонованих технологічних прийомів відновлення працездатності деталей та можливість їх практичного застосування.

7. Для найбільш доцільних поєднань матеріалів покриттів та підложок відновлюваних деталей шляхом експериментальних досліджень отримано залежності, що дозволяють оцінити прогнозовані значення зносу відновлюваних деталей, зміни їх антифрикційних характеристик.

8. Виконано аналіз застосовності теоретичних моделей адгезійної міцності матеріалів покриттів та підложок відновлюваних деталей для детонаційних й металополімерних покриттів та здійснена оцінка адгезійної міцності для відновлюваних деталей механізмів реальних машин.

9. Проведеними дослідженнями потверджена можливість та доведена доцільність відновлення деталей реальних машин на прикладах деталей судових механізмів, гідропомп, трубопроводів з документальним підтвердженням працездатності відновлених деталей за експлуатаційних умов.

10. Отримані та потверджені результати з відновлення працездатності деталей реальних машин дають підстави поширити пропоновані технології на деталі інших типів, що не входили до дослідження.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Полтавченко С.В. Восстановление деталей нанесением металлополимерных покрытий. // Техніка майбутнього. – Одеса. – 1999. – № 3. – С. 74—81.

2. Полтавченко С.В. Экспериментальные исследования изнашивания металлополимерных покрытий на основе металлопластиков и мультиметаллов // Труды Одесского политехнического университета. – Одесса. – 2000. – Вып. 2 (11). – С. 35—37.

3. Полтавченко С.В. Експериментальне визначення залежностей для оцінки антифрикційних показників матеріалів пар тертя деталей машин, відновлених металевими і металополімерними покриттями // Машинознавство. – Львів. – 2000. – № 5. – С. 32—35.

4. Belokonev K., Poltavchenko S. Berechung der gehauseteile der metallschneiden maschinen auffestifkeit. // “MikroCAD'97”, International Computer Science Conference, Miscolc. 1997 – p. 71 – 75.

5. Білоконєв І.М., Білоконєв К.І., Полтавченко С.В. Підготування поверхні деталей машин перед їх відновленням методом нанесення покриттів. // “Mikro-CAD'98”, International Computer Science Conference, Miscolc. 1998 – p. 145 – 149.

6. Білоконєв К.І., Полтавченко С.В. Застосування покриттів на основі нікелю, нанесених детонаційно-газовим способом, з метою відновлення зношених деталей машин. // Тези доповідей міжнародної конференції та ярмарку-виставки “Технологія ремонту машин та механізмів” РЕМОНТ-98, Київ, 1998.

7. Білоконєв К.І., Полтавченко С.В. Застосування металопластиків та мультиметалів для зміцнення та відновленння робочої поверхні штампів та пресформ. // Тези доповідей міжнародної конференції та ярмарку-виставки “Технологія ремонту машин та механізмів” РЕМОНТ-98, Київ, 1998.

8. Білоконєв К.І., Полтавченко С.В. Триботехнічні характеристики зносостійких металевих покриттів на основі нікелю. Депоновано 01.06.96 ї825 – ук96 в ДНТБ України. – 4 с.

9. Білоконєв К.І., Полтавченко С.В. Відновлення зношеної поверхні деталей машин зі застосуванням твердих покриттів на основі кобальту. Депоноване 01.06.96 ї825 – ук96 в ДНТБ України. – 4 с.

АНОТАЦІЇ

Полтавченко С.В. Відновлення працездатності поверхонь деталей машин детонаційними та металополімерними покриттями. – Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеню кандидата технічних наук за фахом 05.02.02 – машинознавство. Східноукраїнський національний університет, Луганськ, 2000.

Дисертація присвячена питанням відновлення за виробничих умов працездатності деталей машин, втраченої через знос робочої поверхні, зниження її антифрикційних властивостей, з'явлення задиров, вибоїн, зламів закраїн та ін. шляхом застосування покриттів з композиційних матеріалів, що наносяться з використанням гарячих (детонаційні покриття) та холодних (металополімерні покриття) робочих середовищ. Розроблено рекомендації з вибору найкращих поєднань матеріалів покриттів з відновлюваними деталями за зносостійкими та антифрикційними характеристиками на основі теоретичних та експериментальних досліджень. Встановлено емпіричні залежності для визначення параметрів, що характеризують ці властивості. Розроблено типові методи відновлення працездатності деталей машин з використанням сучасних ремонтних технологій на основі застосування композиційних покриттів. Розроблено технологічні прийоми зі застосування покриттів для відновлення деталей машин, що мають типові ушкодження. Зроблено оцінювання зносостійких і антифрикційних характеристик покриттів відновлюваних деталей на основі теоретичних і експериментальних досліджень, встановлені емпіричні залежності для визначення їхніх значень. Експериментально встановлені спрацювальні й антификційні характеристики найбільше застосовуваних для відновлення деталей загальномашинобудівного застосування композиційних, детонаційних і металополімерних покриттів. Проведено натурні випробування працездатності відновлених деталей при роботі механізмів реальних машин.

Ключові слова: відновлення працездатності, детонаційні покриття, металополімерні покриття, технологічні прийоми, зносостійкі та антифрикційні характеристики.

Poltavchenko S.V. Machine elements surfaces workability restoration by the methods of detonation and metal-polymers coatings.

The thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on specialty 05.02.02 – Machinery science. Eastukrainian national university, Lugansk, 2000.

The thesis is dedicated to the problem of recovery of serviceability of machine parts in conditions of production, (lost because of wear working surfaces, degradation of antifriction properties of machine parts, appearance of scores, dints, edge fractures etc.), by application of composite material coatings, applied when hot actuating medium is used (detonation-applied coatings) or cold actuating medium is used (metal-polymer coatings). The guidelines are worked out at sampling of the best combinations of coating materials and restored machine parts according to their wear resistant and antifriction characteristics on basis of the theoretical and experimental researches. The empirical-formula dependencies for determination of values of parameters describing these characteristics are established. The technological methods of coating application for recovery of machine parts having representative damage are worked out. The full-scale tests of serviceability of restored machine parts mounted in real machines are conducted. Typical methods of reconditioning of machine parts with using of repairing texnolodgies on the basis of composite metal plating have been develop. The evaluation of wear resistance and antifriction characteristics of recondition parts on the basis of theoretical and experimental researches, the empiric dependence of definition there meanings have been done. Wear and antifriction characteristics of the most frequently used composite detonation and metalopolimer plates for reconditioning used indgeneral machine building have been experimentally proved.

Keywords: recovery of serviceability, detonation-applied coatings, metal-polymer coatings, technological methods, wear resistant and antifriction characteristics.

Полтавченко С.В. Восстановление работоспособности поверхностей деталей машин детонационными и металлополимерными покрытиями. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 – машиноведение. Восточноукраинский национальный университет, Луганск, 2000.

Диссертация посвящена вопросам восстановления работоспособности деталей машин в производственных условиях, утратившим её из-за изнашивания рабочих поверхностей, снижения их антифрикционных свойств, появления задиров, выбоин, изломов кромок и т.п. применением покрытий из композиционных материалов, наносимых при использовании горячих (детонационные покрытия) и холодных рабочих сред (металлополимерные покрытия). Разработаны типовые методы восстановления работоспособности деталей машин с использованием ремонтных технологий на основе применения композиционных покрытий, наносимых газо-термическими методами, и металлополимерных покрытий. Предлагаемые методы основаны на анализе существующих методов восстановления, выборе необходимого типа композиционных материалов для восстановления деталей пар трения в машинах, разработке методики прогнозирования работоспособности соединения и изменения антифрикционных характеристик поверхностей деталей.

Разработаны рекомендации по выбору наилучших сочетаний материалов покрытий и восстанавливаемых деталей по износостойким и антифрикционным характеристикам. Произведена оценка износостойких и антифрикционных характеристик покрытий восстанавливаемых деталей на основе теоретических и экспериментальных исследований, установлены эмпирические зависимости для определения их значений.

Разработанные методы апробированы при восстановлении рабочих поверхностей деталей реальных машин: крыльчаток судовых насосов, штоков цилиндров подъёма аппарелей морских паромов, центрирующих поверхностей фланцевых соединений, повреждённых труб трубопроводов и т.п. Рекомендации по восстановлению утративших работоспособность деталей внедрены при ремонте указанных выше деталей на судах судоходной компании "УкрФЕРРИ", Одесском трубном заводе АО "РЕЗОН", Нижнеднепровском трубопрокатном заводе в г. Днепропетровске.

В первом разделе выполнен анализ литературных источников, практических результатов и фирменных рекомендаций по применению методов восстановления работоспособности деталей применением композиционных покрытий. Рассмотрены методы восстановления рабочих поверхностей деталей машин с применением горячих и холодных рабочих сред.

Второй раздел диссертации посвящён вопросам, связанным с выбором композиционных материалов для покрытий и технологических способов их нанесения при восстановлении деталей. В разделе проведена классификация разных типов детонационных покрытий, в зависимости от типа повреждения и его глубины проникновения в материал подложки детали. Аналогичный анализ проведен по применению металлополимерных покрытий на основе металлопластиков и мультиметаллов, наносимых при использовании холодных рабочих сред. Разработаны технологические приёмы восстановительных работ при ликвидации типичных для ряда общемашиностроительных деталей повреждений их поверхностей с применением металлополимеров. Приведены рекомендации по ликвидации повреждений типа трещин, раковин, отверстий, изношенных участков трущихся поверхностей деталей, кавитационных повреждений и т.п. Приведены материалы о восстановлении работоспособности деталей реальных механизмов.

В третьем разделе рассмотрены вопросы, связанные с выбором критериев работоспособности деталей, восстановленных с применением детонационных и металлополимерных покрытий. На примерах восстановленных деталей дана оценка прочности и износостойкости их рабочих поверхностей с применением в качестве базовых зависимостей уравнений В.М. Александрова и И.В. Крагельского.

В четвёртом разделе диссертационного исследования приведены результаты экспериментальных исследований, связанных с определением значений параметров износостойкости и антифрикционных свойств детонационных и металлополимерных покрытий, рекомендованных к применению при восстановлении работоспособности деталей машин. Целью экспериментального исследования износостойкости является определение данных по линейному износу образцов с покрытиями из мультиметаллов, металлопластиков и детонационных покрытий, определение характера изменения коэффициента трения при работе деталей с покрытиями.

Для различных сочетаний пар испытываемых материалов на основании обработки результатов исследований получены эмпирические зависимости, позволяющие прогнозировать ресурс работоспособности восстановленных деталей. В разделе приведены сведения по натурным испытаниям восстановленных деталей, по представленным актам предприятиями, эксплуатирующими машины.

Ключевые слова: восстановление работоспособности, детонационные покрытия, металлополимерные покрытия, технологические приёмы, износостойкость, антифрикционность.