Обоснование проблемы разработки и применения наполненных полимерных композиционных материалов при восстановлении деталей машин в сельском хозяйстве

IMPROVING THE STORAGE CONDITIONS OF THE AGRICULTURAL TECHNOLOGY WITH THE USE OF AIR HANDLING UNITS WITH RECUPERATOR OF HEAT

© 2015

E. B. Mironov, the candidate of technical sciences, the associate professor of the chair «Technical service»

A. N. Shisharina, the post-graduate student

Nizhniy Novgorod state engineering-economic university, Knyaginino

Annotation. It is known that one reliable way of storage of agricultural equipment is closed, i.e. in the premises (garages, hangars, etc.). In this case, provided favourable storage conditions, reduces the complexity of maintenance of cars in storage, thereby increasing the safety of technique. Currently agricultural producers strive to keep indoors new complex, expensive equipment of foreign and domestic production (tractors, harvesters, seeders, etc.). Violation of technology of preparation techniques and storage conditions leads to the destruction of coatings and corrosion on the surfaces of the parts, and the lack of proper inspection and prompt repair may lead to loss of operational reliability. Storage of agricultural machinery in adaptive of the required spaces almost completely protects them from any adverse effects (cold, snow, rain, wind, dust).

At the design stage of the construction of enterprise technical services provides a number of measures, according to the building regulations [2, 3, 16-18] for maintaining the required humidity and temperature that meet the requirements of fire safety, labour protection and safety, and that the air in the workshops, densely saturated with the products of chemical processing machines, smoke in welding, exhaust gases, etc. are continuously removed from the premises and replaced with a new one.

Therefore, improving the technology of storage of agricultural equipment in enclosed spaces becomes a vital

issue.

One of the areas of improvement is the maintenance of a comfortable temperature and humidity microclimate. To create such conditions can be used in air handling units (AHUs) with heat exchanger (O. G. Martynenko [5] O. P. Ivanov, and A. A. Rymkevich [1]).

This article discusses the possibility of using the SSP with the heat exchanger for the storage of agricultural equipment in enclosed spaces.

Keywords: ventilation, ground heat exchanger, recuperator, ventilation, service technical, the warmth, the installation of supply and exhaust; the heat recovery, the storage of equipment.

УДК 62-233.2

ОБОСНОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

© 2015

В. Н. Рукавишникова, преподаватель кафедры «Охрана труда и безопасность жизнедеятельности» Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино

Аннотация. Эксплуатация машин является важнейшей составляющей сельскохозяйственного производства. В себестоимости сельскохозяйственной продукции около половины занимают затраты на эксплуатацию машинно-тракторного парка, при этом до 40 % из них приходится на техническое обслуживание и хранение машин. Следовательно, обеспечение работоспособности машинно-тракторного парка при минимальных затратах труда, материально-денежных средств и энергоресурсов является актуальной задачей. Актуальность поставленных задач становится еще более очевидной, если при этом учесть постоянный рост стоимости машин, дефицит техники и квалифицированных механизаторских кадров, увеличение цен на топливно-смазочные материалы, низкий уровень надежности и слабую ремонтно-техническую базу сервиса. Качество значительной части отечественных сельскохозяйственных машин не соответствует требованиям современного производства. Это приводит к повышению трудоемкости и затрат на ремонт техники, увеличивает расход запасных частей, горючесмазочных и других материалов, снижает работоспособность деталей, сборочных единиц и оборудования в целом. Одной из приоритетных задач в развитии системы технического сервиса сельскохозяйственной техники является развитие восстановления изношенных деталей, как альтернативы расходу новых на обслуживание стареющего парка машин. В работе проведен анализ проблемы выхода из строя сельскохозяйственной техники. В общем объеме отказов транспортеров, в том

31

числе встроенных в различные машины, 30-37 % приходится на подшипники качения. Одной из основных причин, приводящих к отказу подшипников качения, является износ посадочных мест подшипников, который, как правило, является следствием фреттинг-коррозии. Существуют множество способов восстановления посадочных мест подшипников качения, но они имеют ряд общих недостатков. В данной работе проведен анализ возможности применение полимерных материалов для восстановления посадочных мест подшипников качения.

Ключевые слова: адгезия, антифрикционные свойства, восстановление, изнашивание, машиннотракторный парк, наполнитель, подшипник качения, полимерные композиционные материалы, посадочное место, сельскохозяйственная техника.

Эксплуатация машин является важнейшей составляющей сельскохозяйственного производства. В себестоимости сельскохозяйственной продукции около половины занимают затраты на эксплуатацию машинно-тракторного парка (МТП), при этом до 40 % из них приходится на техническое обслуживание (ТО) и хранение машин. Следовательно, обеспечение работоспособности МТП при минимальных затратах труда, материальноденежных средств и энергоресурсов является актуальной задачей.

С другой стороны, в современных рыночных условиях продукция должна быть конкурентоспособной. Для этого требуется существенное (в 2-3 раза) повышение производительности труда. Вместе с тем до 75 % всего времени сезонных работ техника простаивает по различным причинам, в том числе - в ТО и ремонте. Отсюда возникает другая не менее важная задача - снижение объема ремонтно-обслуживающих работ в период выполнения полевых сельскохозяйственных операций. Необходимым условием современности также является улучшение экологической безопасности эксплуатации машин и, в частности, процесса ТО. В сущности - это еще одна задача.

Актуальность поставленных задач становится еще более очевидной, если при этом учесть постоянный рост стоимости машин, дефицит техники и квалифицированных механизаторских кадров, увеличение цен на топливно-смазочные материалы, низкий уровень надежности и слабую ремонтнотехническую базу сервиса. Решение этих задач, как проблемы в целом, возможно на основе широкого использования ресурсосберегающих технологий ТО, ремонта и хранения машин. Создание таких технологий - на базе новых технологических и технических решений в области обслуживания машин. Поиск решений - с учетом специфических особенностей использования машин в сельскохозяйственном производстве и природноклиматических условий регионов России [1] .

По оценке специалистов, наличие техники в сельскохозяйственных предприятиях вдвое меньше количества необходимого для выполнения сельскохозяйственных работ в оптимальные агротехнические сроки. Эксплуатируемый МТП более чем на 75-85 % выработал свой ресурс. Качество значительной части отечественных сельскохозяйственных машин не соответствует требованиям современного производства. В 2009 г. от общего числа исследованных на машиноиспытательных станциях видов техники 79 % было изготовлено с отступлением от технических условий, 49 % - не соответствовало требованиям безопасности. Темпы списания техники превышают объемы её поступления в 4-6 раз. Вследствие этого происходит увеличение нагрузки на работающие машины и механизмы, эксплуатация идет с нарушением технических нормативов, сроки проведения технического обслуживания и плановых ремонтов не соблюдаются. Это приводит к повышению трудоемкости и затрат на ремонт техники, увеличивает расход запасных частей, горючесмазочных и других материалов, снижает работоспособность деталей, сборочных единиц и оборудования в целом [2-5].

Одной из наиболее частых причин преждевременного выхода их строя сельскохозмашин является низкая надежность ресурсных сопряжений, к числу которых принадлежат многие узлы трения. В общем объеме отказов транспортеров, в том числе встроенных в различные машины, 30-37 % приходится на подшипники качения. Например, наработка одного подшипника поворотной опоры транспортера ТСН-160А не превышает 550 часов при общем ресурсе 4 300 часов. Многократные ремонты вышедшей из строя техники приводят к ее длительным простоям. Потери сельского хозяйства из-за низкого технического уровня и надежности машин ежегодно составляют не менее 240 млрд рублей [6, 7].

При острейшем дефиците машин и оборудования в условиях экономического и технологиче-

32

ского кризисов, характеризующих современное состояние отечественных сельскохозяйственных предприятий, большое значение приобретают меры, направленные на прекращение спада инженерно-технической сферы производств, повышения надежности сельскохозяйственной техники в целом и ресурсных сопряжений в частности. Это обуславливает необходимость исследования проблем внедрения в отрасль интенсивных трудосберегающих инновационных технологий [8]. Конкурентоспособность сельскохозяйственной продукции в современных условиях рыночной экономики в значительной мере определяется ее ценой. Издержки на поддержание техники и технологического оборудования в работоспособном состоянии существенно влияют на себестоимость сельхозпродукции [9]. Основным резервом снижения материальных затрат при эксплуатации и ремонте машин и оборудования АПК является восстановление изношенных деталей. Это становится наиболее актуальным в современной экономической ситуации, когда происходят удорожание техники и запасных частей к ней и снижение платёжеспособности и рентабельности сельхозпредприятий.

По данным [10], при ремонте сельскохозяйственной техники затраты на покупку новых запасных частей вместо предельно изношенных могут достигать в течение всего срока службы до 70 %. Предельные износы 85 % деталей не превышают 0,3 мм, причём многие из них имеют остаточные ресурсы 60 % и более и только 20 % деталей тракторов, поступающих в ремонт, подлежат окончательной выбраковке. Остальные можно восстановить, причём себестоимость восстановления составит 15-70 % себестоимости изготовления [11].

В экономически развитых странах на рынке запасных частей восстановленные детали преобладают, потому что они в 1,5-2,5 раза дешевле новых, а по ресурсу не уступают им и даже превосходят [12]. Это достигается, прежде всего, за счёт участия в нём фирм-производителей машин и специализированных фирм по восстановлению изношенных деталей. Например, на мотороремонтном заводе английской фирмы «Бинз Индастриз Лими-тед» ремонтируют ежегодно около 60 тыс. двигателей типа «Форд» и восстанавливают блоки цилиндров, головки блоков, коленчатые и распределительные валы, шатуны, гильзы и другие дорогостоящие детали. Аналогично поставлено восстановление деталей на ремонтных заводах компании «Перкинс» и ряде других предприятий [11].

Одной из приоритетных задач в развитии системы технического сервиса сельскохозяйственной техники является развитие восстановления изношенных деталей, как альтернативы расходу новых на обслуживание стареющего парка машин, что позволит снизить затраты на поддержание техники в работоспособном состоянии [13]. Отечественными учеными разработаны перспективные технологические процессы восстановления, обеспечивающие деталям повышенный послеремонтный технический ресурс и, соответственно, повышение надежности узлов, агрегатов и машины в целом [9].

Подшипники качения относятся к категории одних из самых многочисленных элементов конструкций машин. Затраты на замену подшипников качения в течение всего срока службы трактора достигают 30 % его стоимости [14]. Одной из основных причин, приводящих к отказу подшипников качения, является износ посадочных мест подшипников, который, как правило, является следствием фреттинг-коррозии.

Существуют множество способов восстановления посадочных мест подшипников качения. Основные из них: наплавка, нанесение электролитических покрытий, установка дополнительной детали, электроконтактная приварка стальной ленты и др. [14-18]. Однако данные способы имеют ряд недостатков: высокую себестоимость, потребность в дорогостоящем технологическом оборудовании, сложность технологического процесса, необходимость механической обработки восстанавливаемых поверхностей, не устраняется фреттинг-коррозия. Повышение долговечности подшипников может быть осуществлено посредством совершенствования конструкции узла трения на основе детального анализа условий его эксплуатации с использованием в процессах восстановления и изготовления его деталей износостойких материалов. При эксплуатации подшипников в непосредственном контакте с абразивной и коррозионной средой в условиях отсутствия или ограниченного поступления смазочных материалов представляется возможным осуществить замену подшипников качения парами трения скольжения с применением вкладышей [8]. Необходимо отметить, что в использовании антифрикционных металлических материалов для данных целей достигнут некоторый предел. В этой связи перспективна разработка вкладышей из полимеров либо композиционных материалов на их основе. По данным ГОСНИТИ, применение поли-

33

меров снижает трудоемкость ремонта машин на 20-30 %, себестоимость работ на - 15-20 %, сокращает расход черных и цветных металлов на 40-50 % [19].

Применение полимерных материалов для восстановления посадочных мест подшипников качения позволяет устранить вышеперечисленные недостатки. Положительной особенностью способа является и то, что при восстановлении посадочных мест подшипников полимерными материалами из-за упругой деформации наружного кольца снижается коэффициент неравномерности распределения нагрузки между телами качения и повышается долговечность подшипника. Также благодаря наличию полимерного покрытия увеличивается деформация поверхности жёлоба подшипника в зоне контакта с нагруженными телами качения, что приводит к увеличению площади пятна контакта и снижению контактных напряжений [20]. Так, например, в работах Курчаткина В. В. и Ли Р. И. описано, что при восстановлении посадочных мест герметиком АН-103 долговечность подшипника 208 увеличивается в сравнении с расчётной до 4 раз при местном и до 5 раз при циркуляционном нагружении наружного кольца подшипника, применение герметика 6Ф увеличивает долговечность подшипника 208 в сравнении с расчётной до 3,5 раз при циркуляционном и до 8,5 раз при местном нагружении наружного кольца подшипника [18, 21].

Перспективным направлением в получении качественно новых материалов, используемых для восстановления неподвижных соединений подшипников качения, является создание полимерных композиций на основе анаэробных герметиков и дисперсных наполнителей [11]. Наполненные полимерные композиции представляют собой гетерогенные системы, состоящие из твердых мелкодисперсных частиц наполнителя относительно равномерно распределенных по объему и связывающей их непрерывной полимерной матрицы. Введение в полимер твёрдых частиц наполнителя осуществляется для изменения механических, теплофизических, тиксотропных и других свойств, а также для снижения стоимости материала за счёт уменьшения объёма используемого полимера.

Использование в парах трения антифрикционных полимерных композиций позволяет получать несколько иные закономерности изнашивания - лучшие в триботехническом отношении. Нанесение тонкого полимерного покрытия на металлические поверхности влечет за собой изменение в оп-

ределенной степени характера машиностроительного производства и технологии последующего ремонта, делая их более совершенными, эффективными; экономически выгодными [22].

В то же время надо отметить, что непрерывный рост нагрузок, скоростей и температуры, усложнение условий эксплуатации узлов трения требуют постоянного улучшения свойств антифрикционных материалов (покрытий). Наряду с износостойкостью создаваемые покрытия должны обладать и высокой адгезией к подложке. Тем не менее многолетний опыт применения полимерных композиций говорит о том, что положительные свойства полимерных покрытий ограничены недостаточно высокой адгезионной прочностью с основой (металлической деталью), резко сокращающей ресурс узла трения и машины в целом. Кроме того, в последнее время особое внимание уделяется исследованиям в области водородного изнашивания металлов, так как трение в присутствии водородосодержащего материала (масло, топливо, вода, полимеры) приводит к выделению водорода и локализации его в приповерхностном слое детали. Это ведет к диспергированию, а при пересыщении металла водородом - к разрушению поверхности с последующим переносом отделившихся частиц на менее прочную структуру [22].

Полимеры наряду с высокими антифрикционными свойствами обладают необходимой износостойкостью. Однако область их рационального применения ограничена ввиду низкой прочности и жесткости при сжатии и сдвиге, отсутствия термической стабильности в области высоких температур, изменения физико-механических характеристик при старении и под воздействием климатических факторов. Перечисленные свойства можно оптимизировать применением углеродных наноматериалов и металлических нанопленок, нанесенных на порошковые носители, которые могут исполнять роль наполнителя, повышая адгезионную совместимость компонентов полимерного нанокомпозита, либо при соответствующем химическом составе вводиться в зону трения в качестве сухого смазочного материала (углеродные нанотрубки, сульфидированные нанопленки молибдена) [8].

Основным сдерживающим фактором широкого внедрения наноматериалов в производственные процессы является отсутствие отработанной технологии их синтеза в достаточном количестве. Среди известных методов получения наноструктур химическое газофазное осаждение относится к ка-

34

тегории наиболее перспективных, так как позволяет создавать наноматериалы практически любого химического состава в широком диапазоне варьирования их морфоструктурных характеристик. Параметры процесса, влияющие на характеристики конечного продукта, такие, как температура, состав газовой фазы и время реакции, могут контролироваться непрерывно с высокой степенью точности [23, 24].

Для широкого эффективного внедрения наноматериалов в технический сервис машин необходимо разработать методику их применения, учитывающую конструкционные особенности агрегатов, условия эксплуатации, степень износа ресурсных сопряжений, специфические свойства материалов [8].

В связи с вышесказанным необходима разработка методов по совершенствованию технологии формирования покрытий, в том числе электроискровой обработки на этапе подготовки металлической поверхности, а также создание полимерных покрытий, инициирующих режим избирательного переноса материалов при трении путем физической и химической модификации полимерной матрицы с участием наполнителей в виде наноразмерных порошков [22].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хабардин В. Н. Ресурсосберегающие тех-

нологии и средства технического обслуживания тракторов в сельском хозяйстве: диссертация на

соискание ученой степени доктора технических наук. Иркутск, 2009. 442 с. [Электронный ресурс]. URL: http://www.dissercat.com/content (дата обращения 11.10.2015).

2. Дунаев П. Ф., Леликов О. П. Расчет допусков размеров. 4-е изд. М. : Машиностроение, 2006. 400 с.

3. Елизаветин М. А., Сатель Э. А. Технологические способы повышения долговечности машин. М. : Машиностроение, 1989. 399 с.

4. Сыркин В. Г. CVD-метод. Химическая парофазная металлизация. М. : Наука, 2000. 496 с.

5. Васантасри П. Сидки. М. : Мир, 2000. 516 с.

6. Ерохин М. Н. Козырева Л. В.. Восстановление и изготовление подшипников сельскохозяйственных машин с использованием нанокомпозитов: методические рекомендации. М. : Издат. центр ФГОУ ВПО МГАУ, 2011. 68 с.

7. Хрущов М. М., Бабичев М. А. Абразивное изнашивание. М. : Наука, 1970. 252 с.

8. Козырева Л. В. Повышение долговечности подшипников сельскохозяйственной техники применением наноматериалов: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 2012. 310 с. [Электронный ресурс]. URL: http://www.dissercat.com/content (дата обращения

11.10.2015) .

9. Бочаров А. В. Повышение эффективности восстановления неподвижных соединений подшипников качения сельскохозяйственной техники адгезивами, наполненными дисперсными металлическими порошками: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Мичуринск, 2009. 150 с. [Электронный ресурс]. URL: http://www.dissercat.com/content (дата обращения

11.10.2015) .

10. Черноиванов В. И., Бледных В. В., Северный А. Э. Техническое обслуживание и ремонт машин в сельском хозяйстве : Учебное пособие. Москва, Челябинск : ГОСНИТИ, ЧГАУ. 2003. 992 с.

11. Кондрашин С. И. Восстановление неподвижных соединений подшипников качения сельскохозяйственной техники анаэробными герметиками с дисперсными минеральными наполнителями: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Мичуринск, 2009. 119 с. [Электронный ресурс]. URL: http://www.dissercat. com/content (дата обращения 11.10.2015).

12. Рассказов М. Я. Современные тенденции организации ремонта сельскохозяйственной техники. М. : Росинформагротех, 2001. 105 с.

13. Черноиванов В. И. Состояние и основные направления развития технического сервиса на селе // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2000. № 6. С. 2-5.

14. Крупецкий В. А. Восстановление посадочных отверстий установкой колец // Техника в сельском хозяйстве. 1981. № 9. С. 56-57.

15. Курчаткин В. В., Тельнов Н. Ф., Ачкасов К. А., Батищев А. Н. и др. Надёжность и ремонт машин. М. : Колос, 2000. 776 с.

16. Воловик Е. Л. Справочник по восстановлению деталей. М. : Колос, 1981. 350 с.

17. Тельнова Н. Ф. Ремонт машин. М. : ВО «Агро-промиздат», 1992. 560 с.

18. Ли Р. И. Неразрушающий контроль качества неподвижных соединений подшипников качения сельскохозяственной техники, восстановленных анаэробными герметиками: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1990. 220 с.

35

19. Гаджиев A. A. Технологическое обеспечение долговечности подшипниковых узлов машин применением полимерных материалов: автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук: 05.20.03. М., 2005. 34 с.

20. Бутин А. В. Повышение эффективности восстановления неподвижных соединений подшипников качения сельскохозяйственной техники полимер-полимерными композициями: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Мичуринск, 2012. 127 с. [Электронный ресурс]. URL: http://www.dissercat.com/content (дата обращения 11.10.2015).

21. Курчаткин В. В. Восстановление посадок подшипников качения сельскохозяйственной техники полимерными материалами : диссертация на

соискание ученой степени доктора технических наук. М., 1989. 407 с.

22. Гвоздев А. А. Технология повышения долговечности узлов трения при ремонте сельскохозяйственной техники с использованием модифицированных полимерных композиций: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М., 2010. 377 с. [Электронный ресурс]. URL: http://www.dissercat.com/content (дата обращения

11.10.2015).

23. Черменский О. Н., Федотов H. H. Подшипники качения: справочник-каталог. М. : Машиностроение, 2003. 576 с.

24. Pugno N. M. An analogy between the adhesion of liquid drops and singlewalled nanotubes // H Scripta Materialia. 2008. Vol. 58 (1). P. 73-75.

PROBLEM ANALYSIS THE DEVELOPMENT AND APPLICATION OF FILLED POLYMER COMPOSITES WHEN RESTORING PARTS OF MACHINES IN AGRICULTURE

© 2015

V. N. Rukavishnikova, the teacher of the chair «Labour protection and safety» Nizhniy Novgorod state engineering-economic university, Knyaginino

Annotation. Operation of machines is a critical component of agricultural production. In agricultural production costs around half the cost of operating machine and tractor fleet, with up to 40 % of them are for maintenance and storage of cars. Therefore, workability of the machine-tractor fleet at a minimum cost of labor, material and funds and energy resources is an urgent task. The relevance of objectives becomes even more evident if we consider a constant growth of the value of machinery, shortage of equipment and skilled personnel, the growth of prices for fuel and lubricants, low reliability and weak is repair-technical base of the service. The quality of a significant part of domestic agricultural machinery does not meet the requirements of modern production.

This leads to increased complexity and costs for repair of equipment, increases the consumption of spare parts, fuel and lubricants and other materials reduces efficiency of parts, Assembly units and equipment in General. One of the priorities in the development of system of technical service of agricultural machinery is the development of restoring worn parts, as an alternative to the consumption of new to service an aging fleet. In work the analysis of the problem of failure of agricultural machinery. In total failures of transporters, including those embedded in various machines, 30-37 % came from the bearings. One of the main causes leading to failure of rolling bearings is the wear of the seats of the bearings, which usually are the result of fretting-corrosion.

There are many ways of restoration of seats of rolling bearings, but they have a number of common faults. In this paper, the analysis of possibilities of application of polymer materials for the restoration of seats of rolling bearings is offered.

Keywords: adhesion, anti-friction properties, restoration, wear, machine-tractor Park, a filler, a rolling bearing, polymer composite materials, seat, agricultural machinery.

36