Анализ воздействия коррозионного износа на работоспособность деталей лесных машин

v pod-shipnike skol'zhenija na iznashivanie [Influence of roughness and microrelief surfaces friction on sliding bearing for for wear]. Vestnikmashinostroenija [Russian Engineering Research]. 2012, no. 7, pp. 45-49. (In Russian).

7. Medelyaev I.A. Tehnologicheskaja nasledstvennost' v uzlah trenija transportnoj tehniki [Technological heredity in friction-term transport equipment]. Vestnik mashinostroenija [Russian Engineering Research]. 2012, no. 12, pp. 43-46. (In Russian).

8. Perekrestov A.P., Chanchikov V.A., Bolovin V.G. Jeksperimental'nye issledovanija i optimizacija fizikomeha-nicheskih svojstv magnitnyh smazochnyh materialov [Experimental research and optimization of the physical and mechanical properties of magnetic lubricants]. Vestnik mashinostroenija [Russian Engineering Research]. 2013, no. 6, pp. 43-45.

9. Serebryansky, A.I. Laboratornoe oborudovanie dlja opredelenija metrologicheskih harakteristikpodshipnikov skol'zhenija [Laboratory equipment for the determination of metrologycal characteristics of plain bearings] Lesotekhni-cheskii zhurnal, 2015, Vol. 5, no. 4 (20), pp. 293-301.

10. Serebryansky A.I. Povyshenie iznosostojkosti sharnirov lesnyh manipuljatorov na osnove zameny reversivnogo trenija vrashhatel'nym dis. kand. tehn. nauk [Increased durability of hinges forestry by replacing reverse rotational friction PhD in Engineering Dis]. Voronezh, 2003, 166 p. (In Russian).

11. Tikhomirov V.B. Planirovanie i analiz jeksperimenta [Planning and analysis of the experiment] Moscow, 1974, 264 p. (In Russian).

12. Trenie i iznashivanie v mashinah. Osnovnye terminy i opredelenija [Friction and wear in machines. Basic terms and definitions]. State Standard 16429 - 70. Moscow, 1970, 11 p.

Сведения об авторах

Серебрянский Алексей Иванович - доцент кафедры лесной промышленности, метрологии, стандартизации и сертификации ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», кандидат технических наук, доцент, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: aleksey@serebryanskiy.com

Богатырева Жанна Игоревна - доцент 12 кафедры ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», кандидат технических наук, доцент, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: zh0259@mail.ru

Information about authors

Serebryansky Alexey Ivanovich - Associate Professor of the timber industry, metrology, standardization and certification, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», PhD in Engineering, Associate Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: aleksey@serebryanskiy.com

Bogatyreva Zhanna Igorevna. - Associate Professor of the 12 Department, Air Force Academy named after Professor N.E .Zhukovsky and Yu. A. Gagarin, PhD in Engineering, Associate Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: zh0259@mail.ru

DOI: 12737/21697 УДК 630.383

АНАЛИЗ ВОЗДЕЙСТВИЯ КОРРОЗИОННОГО ИЗНОСА НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ

ЛЕСНЫХ МАШИН

кандидат технических наук О. М. Тимохова1 доктор технических наук, профессор О. Н. Бурмистрова1 1 - ФГБОУ ВО «Ухтинский государственный технический университет», г. Ухта, Российская Федерация

В статье рассматривается коррозионный износ как один из наиболее опасных видов разрушения деталей лесных машин. Эксплуатация лесных машин происходит в условиях высокой влажности, запыленности, перепада температур окружающего воздуха. Как следствие, под воздействием различных климатических и других факторов происходят процессы разупрочнения и разрушения деталей, а также возникают неисправности, которые иногда невозможно обнаружить во время технического обслуживания и ремонта. Исходя из анализа условий работы лесных машин, были выявлены де-

тали и их группы, которые наиболее подвержены коррозии и воздействию агрессивных сред. В зависимости от процесса коррозионного разрушения материалов деталей различают химическую и электрохимическую коррозию. Химическая коррозия проявляется в местах взаимодействия металла с кислородом, сероводородом, сернистым газом, смазочным материалом. Примером служит разрушение деталей двигателей внутреннего сгорания. Электрохимический вид коррозии является наиболее распространённым. В процессе эксплуатации лесные машины подвергаются электрохимической коррозии не только от воздействия атмосферных условий, но и от химической внутри агрегатов вследствие образования агрессивной среды от окисления масел. Важнейшим объектом электрохимической коррозии является цилиндро-поршневая группа двигателя. Вероятность появления серной кислоты или конденсации паров воды зависит от температуры деталей двигателя лесной машины, которая во время своей работы непрерывно изменяется. Установлено, что износ деталей лесных машин возрастает с появлением коррозионных процессов. Проблема защиты от коррозии на сегодняшний момент является актуальной, т. к. вследствие коррозионного износа деталей в автопарках предприятий ежегодно теряется около 10 % металла, а значит, неизбежно происходят экономические потери.

Ключевые слова: электрохимическая коррозия, химическая коррозия, износ, двигатель внутреннего сгорания, лесные машины, показатели коррозии

ANALYSIS OF CORROSIVE WEAR IMPACT ON PERFORMANCE OF PARTS FOR FORESTRY MACHINERY

PhD in Engineering O. M. Timokhova1 DSc in Engineering, Professor O. N. Burmistrova1 1 - Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Ukhta State Technical University»,

Ukhta, Russian Federation

Abstract

The article deals with corrosion as one of the most dangerous types of the destruction of forest machinery parts. The exploitation of forest machines occurs under conditions of high humidity, dust, temperature changes of the surrounding air. So, because of influence of various climatic and other factors, the processes of weakening and destruction of the parts take place, and something goes wrong, so sometimes it is impossible to detect the problem during maintenance and repair. Based on the analysis of the working conditions of forestry machines, details and their groups have been identified and which are greatly subjected to corrosion and aggressive environment. Depending on the process of corrosive fracture of details there are chemical and electrochemical corrosion. Chemical type of corrosion is evident in areas where metal interact with oxygen, hydrogen sulphide, sulphur dioxide, lubricant. An example is the destruction of parts in internal combustion engines. Electrochemical type of corrosion is the most common one. During exploitation forestry machines are exposed to electrochemical corrosion, not only from exposure to atmospheric conditions, but also from the chemicals inside the aggregates because of forming the aggressive environments from oil oxidation. The most important object is an electrochemical corrosion of the cylinder-piston group of the engine. The probability of occurrence of sulfuric acid or the condensation of water vapor depends on the temperature of the engine parts in a forestry machine, which is constantly changing during its work. Informs about wear of the forest machines parts; it increases if the corrosion processes are present. Annually about 10 percent of metal is lost in enerprise transport because of the problem, it results into economic decrease.

Keywords: electrochemical corrosion, chemical corrosion, wear, internal combustion engine, forestry machinery, corrosion

Коррозионный износ является одним из наиболее опасных видов разрушения деталей лесных машин. Лесные машины работают в условиях высокой влажности, запыленности, перепадов температур окружающего воздуха. Под воздействием различных климатических и других факторов происходят процессы

разупрочнения и разрушения деталей, возникают неисправности, которые порою невозможно обнаружить во время технического обслуживания и ремонта [1, 2].

Анализируя условия работы лесных машин, были выявлены детали и их группы, наиболее подверженные коррозии и воздействию агрессивных сред.

В зависимости от процесса коррозионного разрушения материалов деталей различают химическую и электрохимическую коррозию. Химический вид коррозии проявляется в местах взаимодействия металла с кислородом, сероводородом, сернистым газом, смазочным материалом. Примером служит разрушение деталей двигателей внутреннего сгорания.

Электрохимический вид коррозии является наиболее распространённым. Лесные машины подвергаются электрохимической коррозии не только от воздействия атмосферных условий, но и от химической внутри агрегатов вследствие образования агрессивной среды от окисления масел. Важнейшим объектом электрохимической коррозии является цилиндро-поршневая группа двигателя. Вероятность появления серной кислоты или конденсации паров воды зависит от температуры деталей двигателя лесной машины, которая во время работы непрерывно изменяется [3, 5].

Выявлено, что конденсация продуктов сгорания и образование электролита вероятнее всего возможны в верхней части цилиндра. В итоге из-за большой неравномерности распределения температур по окружности, свойственной для указанной части цилиндра, конденсация может быть местной, т. е. будет проявляться только на тех участках, где температура опускается ниже критической. Величина и расположение данных участков устанавливается в зависимости от конструктивных особенностей двигателей. На интенсивность коррозионного поражения деталей двигателя большое влияние оказывает влажность всасываемого воздуха и его температура, степень прорыва газов в картер [7].

Между коррозией деталей и их износом имеется прямо пропорциональная связь, причём коррозионные процессы играют важную роль при коррозионно-механическом изнашивании и во многих случаях определяют суммарный износ оборудования, машин и механизмов.

Клапаны двигателей внутреннего сгорания подвергаются износу из-за ударов головки клапана о седло, которые повторяются очень часто, воздействия агрессивных отработавших газов при повышенной температуре, создающих процесс коррозии, эрозионному влиянию струи газа и продуктов неполного сгорания топлива [4, 6].

Цилиндры в современных двигателях лесных машин выполняются непосредственно в блоке или как

сменные гильзы (мокрые и сухие). Коррозионный износ является следствием действия на зеркало цилиндра, поршни и кольца продуктов сгорания газообразного или жидкого топлива, а также продуктов окисления масла. Износ увеличивается при наличии воды, конденсирующейся на холодных стенках в период простоя двигателя.

На коррозионный износ поршней и колец влияет также качество масла, применяемого для двигателя. Из-за обильного смазывания масло защищает их от коррозии и значительно уменьшает износ. Однако масло, несмотря на постоянное фильтрование, подвергается постепенному разжижению топливом и водой, конденсирующейся в картере двигателя. Такая смесь масла, топлива и воды способствует появлению химической или электрохимической коррозии, разрушающей детали цилиндропоршневой группы.

Проникновению отработавших газов в картер двигателя во время рабочего хода и топлива при сжатии рабочей смеси способствуют неточное изготовление деталей и некачественное выполнение сборки, особенно во время ремонта. Вследствие этого больше расходуется масла и значительно сокращается ресурс его использования. Невысокое качество обработки, неправильная сборка цилиндро-поршневой группы во время ремонта, а также применение несоответствующих масел и топлива ускоряют процесс нагарообразования на кольцах и способствуют коррозионному разрушению.

Интенсивность коррозионного износа коленчатого вала резко увеличивается при хранении лесных машин длительное время (более 10-12 дней) без противокоррозионной защиты. В этом случае в двигателе коррозионные процессы начинают играть главную роль.

Коренные и шатунные подшипники относятся к тем частям двигателя, которые должны работать в условиях жидкостного трения. Хорошие условия смазки являются одновременно причиной коррозионного износа подшипников. При окислении масла возрастает его кислотность и коррозионная активность.

Также увеличивается коррозионный износ других деталей двигателя из-за разбрызгивания вращающимся коленчатым валом масла, вытекающего бурно из увеличенных зазоров, подшипников и оседающего на поверхности цилиндров.

В выпускных коллекторах вследствие длительного действия горячих газов через некоторое время по-

являются признаки коррозионного разрушения материала. Вследствие воздействия горячих газов и образующихся в связи с этим значительных температурных перепадов коллектор подвергается деформации, что с одновременным коррозионным действием и даже независимо от него может стать причиной растрескивания.

Особенно агрессивно действуют конденсаты на сварные швы. Коррозионные процессы внутренних поверхностей глушителя ускоряются от действия нагара, образующегося во время эксплуатации лесных машин.

Повреждения деталей системы охлаждения, особенно радиатора, являются результатом снижения их механической прочности. По причине коррозии в системе охлаждения появляются течи. Элементами системы охлаждения, подвергающимися постоянному воздействию охлаждающей среды, являются водяные каналы в блоке и головке, водяной насос, уплотняющая прокладка под головкой и термостат.

Температура оказывает влияние также на характер и растворимость продуктов коррозии. Специальные охлаждающие жидкости, замерзающие при низкой температуре, содержат водные растворы этиленглико-ля в разных концентрациях. Здесь коррозию вызывают, прежде всего, образующиеся кислоты. По этой причине охлаждающие жидкости включают такие ингибиторы коррозии, как бура, силикаты и фосфаты. Находящиеся в воде соли кальция и магния повышают интенсивность коррозии и также вызывают отложение на охлаждаемых стенках (трубках радиатора) накипи. Накипь увеличивает склонность металла к коррозии и мешает нормальной циркуляции воды вследствие уменьшения проходного сечения водяных трубок и каналов. Коррозия, протекающая в системе охлаждения двигателей, имеет очень сложный характер, так как различные металлы, образующие замкнутую систему охлаждения двигателя, создают коррозионные элементы в виде ионов этих металлов, присутствие которых в электролите повышает интенсивность коррозии [8].

Поэтому при производстве специальных охлаждающих смесей необходимо проверять их влияние на каждый тип двигателя в лабораторных и обычных условиях. Если таких испытаний не проводить, то в процессе эксплуатации двигателя могут появиться течи через уплотняющие прокладки, трещины в головке, блоке, радиаторе, возникнуть повреждения в насосе и термостате. Однако отмеченные дефекты зачастую

относят к повреждениям от механического воздействия, а коррозию в системе охлаждения считают естественным явлением. Это является результатом неправильного применения для данного двигателя охлаждающих жидкостей.

Главными причинами коррозии деталей системы являются наличие в топливе серы, а также конденсация влаги на внутренних стенках скрытых полостей. Износ деталей топливных насосов и форсунок является результатом абразивного действия твёрдых частиц пыли, находящихся в топливе, а также продуктов адгезионного износа. Вредные примеси топлива также приводят к появлению на рабочих поверхностях втулки и плунжера химических изменений, ускоряющих износ этих деталей [9].

О величине коррозионного разрушения можно судить по показателям коррозии металла, которые могут быть качественными и количественными.

К качественным показателям относятся [3] :

1) осмотр внешнего вида образцов;

2) исследования для определения характера и формы коррозии;

3) обнаружение анодных и катодных участков поверхности металла, подвергшейся коррозии, с помощью цветных индикаторов.

К количественным показателям относятся:

1) определение количества коррозионных участков на единице поверхности металла;

2) максимальная или средняя глубина коррозионного разрушения металла, мм/год;

3) изменение массы (m) образца металла, происходящее в процессе коррозии, г/(м2-ч):

Km ± = m/S • т.

Массовый показатель коррозии может быть и положительным, и отрицательным;

4) объём поглощённого или выделившегося газа AV в процессе коррозии металла, см3/(см2-ч):

Kv = aV/St;

5) изменение того или иного механического свойства металла, происходящее за время коррозионного процесса, %.

Показатели позволяют определить вид и тип коррозии. Например, межкристаллитная коррозия может быть выявлена с помощью глубинного показателя образцов.

Для проведения сравнительного анализа скоро-

сти коррозии в конкретной среде была разработана программа в Delphi 6.0. (рис.).

Ш

)еднеи скорости коррозии

ml te ;. I щ S M LI Vc'p |Кгт |

22.053: ; 22.04810.111061 2.234 И8 1.27 [МОИ 0.00021

22,059; 22,052: о.ообЗ 2,234 20 1,27 0,0001 ОДОЙ11

22,053; 122,050! (Ug£t 2,234 12 1,27 аоооз; 0,00023

22.053; 22,057 0,00151 2.234 18 1.27 4,1385 3,30431

22,053; 22,051: 0,00741 2,234 22 рЭ 0,0001! 0,00011

£«5 22Л51 0,00741 2,234 20 р7 o,oooiio',booi:

Рис. Программа расчета средней скорости коррозии

В основу расчетов заложены сведения по химическому составу металла, структуре, изменению его массы, состоянию поверхности, коррозионной среде.

Исходя из вышеизложенного, износ деталей лесных машин возрастает с появлением коррозионных процессов. Проблема защиты от коррозии на сегодняшний момент является актуальной, т. к. вследствие коррозионного износа деталей в автопарках предприятий ежегодно теряется около 10 % металла, а значит, неизбежно происходят экономические потери.

Библиографический список

1. Жук, Н. П. Коррозия и защита металлов [Текст] / Н. П. Жук. - М. : Металлургия, 1968. - 472 с.

2. Васильев, В. Ю. Структурная коррозия и электрохимическая диагностика сплавов [Текст] / В. Ю. Васильев, В. С. Шапкин. - М. : Русские технологии, 1998. - 102 с.

3. Веденкин, С. Г. Коррозионные свойства металлов и сплавов [Текст] / С. Г. Веденкин. - М. : Метал-лургиздат, 1952. - 308 с.

4. Smialowska Sklarska, Z. Pritting corrosion of metals [Тех!] / Z. Smialowska Sklarska. - National Assn of corrosion engineers, 1986. - 431 p.

5. Stachowiak G. W. Wear: materials, mechanisms and practice [Тех] / ed. by Stachowiak G. W. - NY. : Wiley, 2005.

6. Stansbury, E. E. Fundamentalls of electrochemical corrosion [Тех] / E. E. Stansbury, A. R. Buchanan. - ASM International, 2000. - 487 p.

7. David, E. J. Corrosion science and technology [Тех] / E. J. David, D. R. James. - CRC Press, 2010. - 432 p.

8. Davis, J. R. Corrosion: understanding the basies [Тех] / J. R. Davis. - ASM International, 2000. - 563 p.

9. Тимохова, О. М. Особенности протекания коррозии при минусовых температурах [Текст] / О. М. Ти-мохова // IX международная молодежная научная конференция "Севергеоэкотех-2008": материалы конференции (19-21 марта 2008 г., Ухта): в 3 ч.; ч. 1. - Ухта : УГТУ, 2008. - С. 256-258.

10. Тимохова, О. М. Мониторинг коррозионных разрушений конструкций машин и оборудования отрасли [Текст] / О. М. Тимохова, Н. Р. Шоль, Г. Б. Коптяева // Актуальные проблемы развития лесного комплекса : материалы международной научно-технической конференции. - Вологда : ВоГТУ, 2010. - С. 225-228.

References

1. Guk N.P. Korrozija i zashhita metallov [Corrosion and Protection of Metals]. Moscow, 1968, 472 p.

2. Vasilyev V.Y., Shapkin V.S. Strukturnaja korrozija i jelektrohimicheskaja diagnostika splavov [Structural and electrochemical corrosion diagnostics alloys]. Moscow, 1998, 102 p.

3. Vedenkin S.G. Korrozionnye svojstva metallov i splavov [The corrosion properties of metals and alloys] Moscow, 1952, 308 p.

4. Smialowska Sklarska Z. Pritting corrosion of metals. National Assn of corrosion engineers, 1986, 431 p.

5. Stachowiak, G.W. Wear: materials, mechanisms and practice / ed. by Stachowiak G.W. NY.: Wiley, 2005.

6. Stansbury E.E., Buchanan A.R. Fundamentalls of electrochemical corrosion. ASM International, 2000, 487 p.

7. David E.J., James D.R. Corrosion science and technology. CRC Press, 2010, 432 p.

8. Davis J.R. Corrosion: understanding the basies. ASM International, 2000, 563 p.

9. Timokhova O.M. Osobennosti protekanija korrozii pri minusovyh temperaturah [Features of corrosion at temperatures below zero] IX mezhdunarodnaja molodezhnaja nauchnaja konferencija "Severgeojekoteh-2008": materialy konferencii (19-21 marta 2008 g. [IX International Youth Scientific Conference "Severgeoecotech 2008": materials of the conference

10. Timokhova O.M., Scholl N.R., Koptyaeva G.B. Monitoring korrozionnyh razrushenij konstrukcij mashin i oborudo-vanija otrasli [Monitoring of corrosion damage constructions of machinery and equipment industry] Aktual'nye problemy razviti-ja lesnogo kompleksa : materialy mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii [Actual problems of forestry complex: materials of the international scientific and technical conference]. Vologda, 2010, pp 225-228.

Сведения об авторах

Тимохова Оксана Михайловна - заведующий кафедрой инжиниринга технологических машин и оборудования ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», кандидат технических наук, г. Ухта, Российская Федерация; e-mail: chonochka@mail.ru.

Бурмистрова Ольга Николаевна - заведующий кафедрой технологий и машин лесозаготовок ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», доктор технических наук, профессор, г. Ухта, Российская Федерация; e-mail: oburmistrova@ugtu.net.

Information about authors

Timokhova Oksana Mikhailovna - head of department of engineering of technological machines and equipment Federal State Budget Education Institution of Higher Profesional Education «Ukhta State Technical University», PhD in Engineering, Ukhta, Russian Federation; e-mail: chonochka@mail.ru.

Burmistrova Olga Nikolaevna - head of the Department of technology of machine and logging, Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Ukhta State Technical University», DSc in Engineering, Professor, Ukhta, Russian Federation; e-mail: oburmistrova@ugtu.net.

DOI: 12737/21698 УДК 625.033

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЧВОГРУНТА ПРИ ВДАВЛИВАНИИ КОНИЧЕСКОГО ИНДЕНТОРА В. В. Устинов

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»,

г. Санкт-Петербург, Российская Федерация

Предлагаемая статья посвящена апробации теоретических зависимостей для расчета конусного индекса (показателя сопротивления почвогрунта вдавливанию стандартизованного конического индентора) по величине модуля деформации. Проблематика статьи видится актуальной ввиду следующих соображений. Существующие методики расчета не позволяют проанализировать в комплексе влияние геометрических параметров колесного движителя, внутреннего давления в шине, коэффициента буксования, нагрузки на колесо, а также физико-механических свойств почвогрунта на силу сопротивления движению, сцепление движителя с почвогрунтом и коэффициент тяги, в связи с чем отечественными учеными ведутся исследования по их совершенствованию, главным образом - в теоретической плоскости. Зарубежные коллеги накопили экспериментальный опыт по изучению тягово-сцепных свойств колесных движителей, их сведения могут служить независимым источником для проверки результатов теоретического моделирования. Для этого необходимо апробировать методику расчета показателя сопротивлению почвогрунта вдавливанию конического индентора по физико-механическим свойствам почвогрунта - это обусловлено тем, что зарубежные эксперименты проведены с использованием конусного индекса как интегральной характеристики поверхности движения. На теоретическом уровне для этого используется формула, известная из механики контактного взаимодействия, связывающая удельное сцепление, угол внутреннего трения, модуль сдвига и объемный вес почвогрунта с конусным индексом. В статье приводятся результаты экспериментальной проверки этой теоретической функции. При проведении исследований показателя сопротивления вдавливанию использован конусный пенетрометр, разра-