close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

3053.Надежность и эффективность МТА при выполнении технологических процессов

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
НАДЕЖНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ МТА
ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Монография
Ставрополь
«АГРУС»
2015
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 631.171
ББК 40.72
Н17
Авторский коллектив:
А. Т. Лебедев, О. П. Наумов, Р. А. Магомедов,
А. В. Захарин, П. А. Лебедев, Р. В. Павлюк
Рецензенты:
заместитель директора по научной работе ГНУ СКНИИМЭСХ
Россельхозакадемии, старший научный сотрудник, доктор технических наук
В. Б. Рыков;
профессор ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет»,
доктор технических наук
Н. В. Валуев
Н17
Надежность и эффективность МТА при выполнении технологических процессов : монография / А. Т. Лебедев, О. П. Наумов,
Р. А. Магомедов и др. – Ставрополь : АГРУС Ставропольского гос.
аграрного ун-та, 2015. – 332 с.
ISBN 978-5-9596-1068-5
Представлены основные направления решения проблемы надежности
и эффективности МТА при выполнении технологических процессов. Получены математические зависимости, позволяющие определить соотношение затрат и условия эффективного применения технического средства, с
учетом их надежности и реальных производственных условий, в которых
они функционируют. Даны конкретные расчеты эффективности МТА при
выполнении технологических процессов.
Для научных работников, студентов и аспирантов вузов, специалистов
сельскохозяйственных подразделений и ремонтно-технических предприятий, занимающихся модернизацией и переоборудованием техники.
УДК 631.171
ББК 40.72
ISBN 978-5-9596-1068-5
© ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный
аграрный университет, 2015
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ....................................................................................................... 5
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ........................ 8
1.1 Общие подходы к повышению эффективности
технологических процессов .......................................................................................8
1.2 Разработка обобщенной теоретической модели повышения
эффективности технологического процесса ......................................................... 15
1.3 Методологические принципы обоснования
новой классификации технологических процессов ............................................. 25
1.4 Разработка иерархической схемы технических средств ............................... 35
1.5 Методологические подходы к повышению эффективности
контактного взаимодействия рабочих органов машин с материалом ............... 41
1.6 Обобщенная методика повышения эффективности
технологических процессов за счет формирования
требуемых свойств РПДМ ....................................................................................... 48
1.7 Основные направления решения проблемы надежности
и эффективности МТА ....................................................................................... 50
ГЛАВА 2 РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ СВОЙСТВ
И ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН ........................................................... 52
2.1 Виды обработки почвы
и основные агротехнические требования к ним ................................................... 52
2.2 Анализ конструктивных особенностей плужных лемехов
и способы повышения их износостойкости ...................................................... 55
2.3 Современные способы и средства
для испытания рабочих органов почвообрабатывающих машин
на абразивную износостойкость ....................................................................... 70
2.4 Анализ теоретических исследований, направленных на расчет сил
сопротивления почвообрабатывающих орудий и их рабочих органов ....... 74
2.5 Теоретические предпосылки повышения долговечности
рабочих органов почвообрабатывающих машин ............................................ 76
2.6 Общая теоретическая модель повышения
ресурса плужного лемеха .................................................................................. 78
2.7 Технико-экономическая модель
сравнительной оценки плужных лемехов........................................................ 86
2.8 Оценка свойств и структуры наплавленных слоев
с различным содержанием легирующих элементов ....................................... 94
2.9 Моделирование долговечности рабочих органов
по интенсивности их изнашивания в лабораторных условиях.................... 114
2.10 Влияние износа лемехов на качество вспашки почвы
при эксплуатационных испытаниях
и технико-экономическая оценка результатов исследования ......................... 125
3 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЛАВА 3 РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА .................................................................. 136
3.1 Способы повышения эффективности технологических
процессов в сельскохозяйственном производстве ........................................ 136
3.2 Технические особенности газодизелей и анализ экспериментальнотеоретических исследований газодизельного процесса .............................. 141
3.3 Пути повышения эффективности
газодизельного режима работы двигателя .......................................................... 157
3.4 Повышение эффективности использования МТА
с газодизельными тракторами ......................................................................... 160
3.5 Теоретическая модель регулирования
теплотворной способности смеси......................................................................... 165
3.6 Разработка дополнительных требований к эффективной газодизельной
системы и исследование параметров газодизельного режима..................... 171
3.7 Экспериментальные исследования параметров МТА
с газодизельными тракторами на операциях почвообработки
и их технико-экономическая оценка .................................................................... 184
ГЛАВА 4 РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ....................... 205
4.1 Обзор существующей информации об износостойкости
прецизионных деталей топливной аппаратуры ........................................... 205
4.2 Влияние технического состояния плунжерных пар
на выходные параметры топливного насоса
и технико-экономические показатели дизеля .............................................. 214
4.3 Пути повышения эффективности работы
топливной аппаратуры дизельных двигателей ............................................ 221
4.4 Теоретические основы повышения ресурса ТНВД дизельных
двигателей и прогнозирование долговечности плунжерных пар................ 226
4.5 Методологический подход повышения ресурса
плунжерных пар и теоретическому обоснованию снижения
общего расхода топлива МТА ........................................................................ 236
4.6 Формирование износостойкого покрытия на рабочих поверхностях
плунжерных пар ТНВД и результаты исследования его физикомеханических и триботехнических свойств плунжерных пар .................... 247
4.7 Стендовые испытания плунжерных пар ТНВД
на различных режимах близких к эксплуатационным ................................. 276
4.8 Исследование загрузки тракторов
по данным системы GPS навигации ............................................................... 284
4.9 Прогнозирование ресурса сравниваемых вариантов плунжерных пар
и технико-экономическая эффективность предложенных решений........... 292
ОБШИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ......................................................... 300
ЛИТЕРАТУРА ....................................................................................................... 305
4 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРЕДИСЛОВИЕ
За период рыночных реформ из-за диспаритета цен на сельскохозяйственную и промышленную продукцию и отсутствия существенной
поддержки аграрного сектора государством произошло ухудшение положения АПК страны. Переживаемый кризис, который начался с 90-х годов
прошлого столетия, обусловлен общим социально-экономическим положением, ошибками в аграрной политике при реформировании АПК, которые усугубились специфическими проблемами сельскохозяйственной отрасли (низкая рентабельность производства, низкий уровень цен на сельскохозяйственную продукцию, ограниченный сбыт продукции, плохая
адаптация предприятий сельскохозяйственного машиностроения к рыночным условиям, проблемы демографического характера и кадрового обеспечения, сокращение и старение машинно-тракторного парка (МТП) и
др.).
Такая производственная ситуация в сельскохозяйственной отрасли
привела к тому, что в 2003 году была разработана « Стратегия машиннотехнологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период до 2010 года». Основой Стратегии послужили
программные документы Президента Российской Федерации, Правительства Российской Федерации, Минсельхоза России, Россельхозакадемни и
другие документы, определяющие агропродовольственную политику государства. В разработке Стратегии приняли участие коллективы ученых и
специалистов ведущих научно-исследовательских институтов Россельхозакадемни, Минсельхоза России и Минпромнауки России: ВИМ, ВНИПТИМЭСХ, ВНИИМЖ, ВИЭСХ, ГОСНИТИ, НАТИ, ВНИИКОМЖ,
ВНИИЭСХ, ВНИПТИМЛ, ВСТИСП, ВНИИО, МГАУ им. В.П. Горячкина,
Росинформагротех.
Глубокий и всесторонний анализ фактического состояния сельскохозяйственной отрасли, позволил довольно четко определить, что главным
фактором, сдерживающим выход отрасли из кризиса и переход в режим
развития, является обвальное состояние МТП. Снижение качественного и
количественного состава тракторов, комбайнов и сельскохозяйственных
машин вызывает пропорциональное уменьшение валового производства
продукции и повышение ее себестоимости. Поэтому разработка, производство и введение в АПК техники нового поколения, новых механизированных технологий и форм организации использования машинных агрегатов как человеко-машинных систем должно послужить основой вывода
сельскохозяйственного производства на общественно необходимые объемы производства отечественного продовольствия и его конкурентоспособность.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для решения этой задачи в Стратегии предусматривалась модель
построения инженерно-технологической сферы, которая включала шесть
приоритетных блоков:
1 .Формирование новой машинно-технологической базы за счет
введения высокоэффективных технологий производства продукции, оснащение их техникой нового поколения при должной подготовке кадров.
2. Создание высокопроизводительной, надежной техники нового
поколения и формирование парка машин для новой технологической и
экономической стратегии.
3. Формирование и освоение стимулирующей инвестиционной
политики.
4. Освоение производством высокоэффективной системы использования техники.
5. Формирование стимулирующей технической инфраструктуры
разнообразного сервиса аграрных това роп роизводителей.
6. Модернизация национального машиностроительного комплекса, интегрирование его в международную систему сельскохозяйственного
машиностроения.
Такие стратегические задачи, поставленные перед АПК страны, в
настоящее время в большей или меньшей степени реализованы или реализуются и внедряются на заводах производителях техники и оборудования,
много сделано в плане интеграции в международную систему машиностроения и освоения новых машин и систем их эффективного использования. Но анализ состояния техники, его качественного и количественного
состава, которым реально располагают сельскохозяйственные предприятия, а также уровень развития инфраструктуры технического сервиса для
сельскохозяйственных товаропроизводителей остается практически на
прежнем уровне. Восстановлении и поддержание работоспособности машин и оборудования более чем на 90% обеспечивается владельцами техники. Остальная доля восстановительных работ распределяется между
специализированными ремонтными предприятиями, количество которых в
настоящее время сокращается, и фирменными техническими центрами,
которые обслуживают, как правило, машины, выпускаемые соответствующими фирмами.
В сложившихся условиях владельцы машин, а также некоторые
специализированные предприятия (например. Группа Компаний «Подшипник») все более широко применяют процессы улучшения имеющихся
машин за счет их модернизации. Этот положительный опыт в зависимости
от масштабов и уровня точности проводимых работ при модернизации,
позволяет товаропроизводителям экономить материальные средства в
размере 40...80% по сравнению с новыми машинами.
Негативная тенденция в значительном сокращении выпуска техники и разнообразных видов сельскохозяйственных машин, а также не достаточно высокий уровень эксплуатационной надежности поставляемых
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
изделий отечественного производства, послужили причиной все более
увеличивающихся поставок импортной техники. На наш взгляд, именно
не полное решение вопросов стратегического обеспечения товаропроизводителей новой техникой отечественного производства, которая обладала
бы новыми эксплуатационными характеристиками и качеством изготовления, явилось главным фактором завоевания рынка техники техникой импортного производства Импортная техника поставляется от самых разнообразных фирм производителей и, причем в самом широком ассортименте
по своему функциональному назначению, разных мощностей, тяговых
классов, новая и бывшая в эксплуатации.
Информация об эффективности применения такой техники носит
самый противоречивый характер. Данные, которые представляют товаропроизводителям дилеры и машинно-испытательные станции (МИС), отличаются в несколько раз в зависимости от условий, в которых эксплуатировались эти машины. В представляемой информации практически отсутствуют исследования, которые отражают уровень эффективности применения таких машин в зависимости от интенсивности их использования и условий эксплуатации.
С другой стороны, имеющиеся публикации и издания, посвященные сравнению импортных машин с отечественными, в большинстве случаев носят своеобразный «заказной» характер, который отвечает интересам дилера или производителя этих машин.
Поэтому, главной задачей данного научного издания является разработка и исследование новых ресурсосберегающих направлений и методологических подходов повышения эффективности сельскохозяйственного производства, который позволяет сравнивать различные варианты технических средств по эффективности их применения, с учетом надежности
изделий и тех реальных производственных условий, в которых они функционируют.
Научное издание предназначено для научных и инженерно- технических работников, студентов и аспирантов, а также руководителей и специалистов сельскохозяйственных предприятий, владельцев и производителей техники.
Авторы выражает слова благодарности профессору ФГБОУ ВПО
«Донской государственный аграрный университет‖ И.Н. Краснову и рецензентам этого издания доктору технических наук В. Б. Рыкову и доктору
технических наук ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет‖. Н.В. Валуеву за ценные замечания и советы, высказанные при
написании работы.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
1.1 Общие подходы к повышению эффективности технологических процессов
Отсутствие финансовых средств и дефицит машин и оборудования
послужили внедрению в производство и научно-техническому обоснованию рациональных форм МТС. Свое рождение в новом статусе и новые
задачи перед МТС появились после принятия Указа Президента РФ « О
мерах по созданию МТС для обслуживания сельскохозяйственных товаропроизводителей» в 1997 году. Работы [66, 185, 219, 220, 250, 271 и др.] посвящены этим проблемам.
В начальный период, наблюдался значительный рост количества МТС
на территории РФ (к концу 2000 года их насчитывалось 950), а начиная с
2001 года наметились устойчивые тенденции снижения их количества. В
2010 году по отчетности МСХ РФ их насчитывается 68 штук [66]. Но анализ данных по основным показателям деятельности МТС показывает, что
наряду с численным сокращением количества МТС почти в 10 раз, произошли качественные изменения по таким показателям как площадь пашни, находящаяся в собственности и арендуемая МТС. Если в 2001г. в собственности находилось 52,5 тыс. га и арендовалось 532,8 тыс. га, то в 2010
г. в собственности находилось 572,6 тыс. га и арендовалось 1358,3 тыс. га
пашни [66]. В расчете на 1 МТС нагрузка по обслуживаемым площадям
увеличилась почти в 100 и в 25 раз, соответственно. Такое положение дел
говорит о значительном укрупнении существующих МТС.
На основании функций и своего места в АПК, МТС можно определить
как самостоятельный хозяйствующий субъект с правами юридического
лица, который на основе использования сельскохозяйственной и другой
техники производит совместно с сельскими товаропроизводителями, или,
арендуя у них землю, перерабатывает и реализует сельскохозяйственную
продукцию, оказывает другие услуги.
При этом производительность техники в целом по МТС выше, чем в
хозяйствах примерно на 40%, а на отдельных операциях (пахота, уборка
зерновых) - в 1,7 … 2 раза [185]. МТС внедряет интенсивные и энергосберегающие технологии обработки почвы и выращивания сельскохозяйственных культур с использованием комбинированных агрегатов.
В них используется техника как отечественного, так и зарубежного
производителя. Доля импортной техники в 2010 г. по зерноуборочным
комбайнам составила 69%, по тракторам - 18% [66].
Функции МТС в регионах РФ отличаются своим разнообразием. В
Воронежской области Павловская МТС, созданная на базе РТП, осуществляет капитальный полнокомплектный ремонт тракторов и имеет обменный
фонд отремонтированных машин. Хозяйства передают МТС машины, ко8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
торые хуже используются, и силами хозяйств их восстановить невозможно. МТС взамен отдает отремонтированную машину из обменного фонда.
При желании владельца он ее может взять напрокат, а затем получить
свою, после окончания ремонта, либо приобрести восстановленные машины по сниженной цене из обменного фонда [185, 219]. Таким образом, хозяйства и МТС имеют возможность пополнять парк сельскохозяйственной
техники за счет восстановления практически списанной техники. Такой
опыт широко внедряется во всех регионах. Например, в Тульской области
восстанавливают комбайны, в Республике Татарстан восстанавливают
практически все виды сельскохозяйственной техники. При этом сбор изношенной и неиспользуемой или списанной техники осуществляют в плановом порядке, определяя место ее дислокации, привязывая ее к ремонтным предприятиям по специализации .
На практике это довольно хорошее мероприятие из-за недостаточной
оснащенности и снижения должного внимания и финансирования, МТС в
последние годы предстало в усеченной форме, с достаточно ограниченными функциями. Созданные МТС занимаются в основном узкоспециализированными операциями (например, уборка зерновых, обработка гербицидами, ремонт узлов и агрегатов и др.) и не охватывают полный спектр работ от подготовки почвы до уборки и последующей первичной переработкой продукции. Реальные показатели работы МТС Белгородской и Ростовской областей, Республик Башкортостан и Татарстан, Ставропольского
края и других регионов страны показывают, что эффективность использования техники намного выше, чем у обычных с.-х. предприятий. Но финансовые взаимоотношения между МТС и хозяйственниками не отрегулированы, что является главным препятствием на предоставление работ МТС
на территории сельскохозяйственных предприятий.
Анализ деятельности МТС за 2009 и 2010 г.г. показывает, что в настоящее время МТС испытывают серьезные экономические проблемы. Если в 2009 г. МТС получили прибыль, то в 2010 г. - убыток в размере 171,4
млн. руб. Хотя объем финансовой поддержки со стороны государства и
увеличился в 2,5 раза, но суммарная дебиторская задолженность за сравниваемый год увеличилась в 4,4 раза и составила 1,3 млрд. руб. В расчете
на 1 МТС это составляет 20,2 млн. руб [66].
Такое финансовое состояние МТС, на наш взгляд, связано с увеличивающимся количеством импортной техники, которая приобретается по
лизингу. Существующая налогооблагаемая база и ставки кредитования для
МТС несовершенны, и в значительной степени отличаются по этим параметрам для сельхозтоваропроизводителей. Расчет расценок на оказываемые услуги, выбор форм организации деятельности и зона обслуживания
МТС формируется стихийно. Комплектование производственной базы
проработаны недостаточно и основаны, как правило, на субъективных
подходах руководителей МТС при выборе средств механизации.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сложившаяся ситуация требует дополнительных мер государственной поддержки МТС и это особо подчеркивает важность такого фактора,
как роль общества при производстве продукции АПК и формировании
эффективности технологических процессов.
Ряд исследователей справедливо считают, что рассматривать общую
модель повышения эффективности производства необходимо с позиции
системного анализа, на которую указывал основоположник «Земледельческой механики» академик В.П. Горячкин [63] и его ученики [52, 121, 175].
Но в представленной им «триаде», технологический процесс рассматривается во взаимодействии «энергостредство-машина-среда». Развивая это
положение появились новые исследования системы «человек-машинасреда» (ЧМС).
За годы развития «Земледельческой механики» появились новые направления в развитии теории процессов, которых не было в трудах В.П.
Горячкина. Теория сепарации зерна, разработанная Н.М. Летошневым,
В.Н. Цециновским, И.Е. Кожуховским, Г.Д. Терсковым, И.И. Блехманом
[97], а затем дополненная С.А. Алферовым [9], Н.Н. Клениным [131], А.Н.
Зюлиным [114], Э.В. Жалниным [98], Э.И. Липковичем [178] и др., открыла путь к последовательному совершенствованию комбайнов и зерноочистительных машин. Проблематика создания с.-х. машин и тракторов, развитие учения о земледельческой механики успешно развивалась трудами
И.И. Артоболевского[15], В.Н. Болтинского [36], П.М. Василенко [52], Г.Н.
Синеокова [261], И.П. Ксеневича [148], Н.М. Летошнева [175], А.Б. Лурье
[179] и других.
Профессор Э. В. Жалнин [97], рассматривая этапы развития учения о
земледельческой механике, выделил пять основных периодов ее формирования и обновления. Особое внимание автор обращает на роль этой науки
с учетом нашей реальной действительности, в которой находится современное производство. Современный этап развития земледельческой механики, автор [9] характеризует системной оптимизацией высокоадаптивных
технологий с.-х. работ и технических средств, в соответствие с новым исходным постулатом для их разработки, как «социальный заказ», и четкой
ориентацией на конкретные группы товаропроизводителей в каждом регионе их расположения. Появилась новая трактовка оптимизационной задачи по эффективности машин, при которой машинопроизводитель, сельхозтоваропроизводитель и посреднические структуры (МТС, дилеры, агроснабы и т.п.) являются звеньями единой социально-производственной
структуры, и внедряемая техника по своему общему техническому уровню,
а значит и отдельным параметрам, должна приносить эффект (прибыль)
всем участникам этого товарно-денежного обмена, гарантируя всем реализацию принципов взаимозаинтересованности и воспроизводства.
Эта стадия развития теоретических знаний востребовала не только
новый терминологический, математический, программный и технологический инструментарий, но и необходимость разработки новых и совершен10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ствования существующих методов и подходов комплексного решения вопросов эффективности производства с.-х. продукции.
Среди исследователей, развивающих учение о функционировании и
эффективности системы ЧМС, хотелось бы отметить основоположника
этого направления академика Н.В. Краснощекова [144]. В своих исследованиях он заложил основы теории использования механизаторов в механизированных технологиях, определил влияние системы стимулирования на
производительность и качество труда, ресурсосберегающие использование
техники, полно и системно ввел мотивационные характеристики исполнителей уборочно-транспортных и других организационно-технологических
комплексов.
Исследования [129] направлены на установление энергетических затрат и поведение человека в общей схеме ЧМС на основе технических
средств малой механизации. Рассматривая работу человека с ручными
орудиями, получены математические зависимости интенсивности расхода
энергоресурса и допустимой интенсивности нагрузки на оператора. Автору
исследования удалось объединить самого оператора и средства механизации в едином технологическом процессе. При этом представленная схема
управления ЧМС не включает рабочие машины, а функциональные зависимости не учитывают состояние и изменение первоначальных свойств
средства механизации.
Рисунок 1.1 – Схема графа функционирования четырехэлементной системы уборочнотранспортного процесса (по Н.И. Овчинниковой [234])
Рассматривая уборочно-транспортный процесс как ЧМС, в [215] получены аналитические зависимости, которые устанавливают влияние состояния участников этого процесса на общую надежность процесса. Для
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
математического описания, рассматриваемая система ЧМС, представлена
как граф функционирования четырехэлементного процесса, и на основе
стационарных марковских процессов определена вероятность работоспособного состояния системы (рис. 1.1).
Элементами данного графа были выбраны неработоспособное состояние системы по причине «человека», «машины», «транспорта» и
«средств». Такое деления этого процесса не совсем понятно, поскольку в
данной системе как минимум два «человека», которые работают каждый
сам по себе со своей «машиной» (что учтено в элементах «машина» и
«транспорт»), которые выполняют свои функции в своей среде.
Эффективности использования МТА посвятил свои исследования
также А.Г. Левшин [171]. Он рассмотрел работу МТА с точки зрения системы ЧМС и установил влияние человека – оператора на производительность оператора и динамику ее изменения в течение времени смены. Разработанная им блок-схема системы «человек-машина» представляет собой
ЧМС, так как учитывает мотив труда, условия работы, конструктивные параметры технической системы и режим работы (рис.1.2).
Рисунок 1.2 – Блок-схема системы «человек – машина» (по А.Г. Левшину [171])
При установлении влияния стажа работы человека-оператора (как
уровня его профессионального мастерства) на эффективность работы
МТА, автор представляет информацию о том, что увеличение стажа оператора приводит к снижению технологических отказов в 4…5 раз. Коэффициент использования времени смены возрастает с 0,45 до 0,63, а производительность поднимается с 2,41 га/ч до 2,75 га/ч. Резкое увеличение коэффициента использования времени смены (приблизительно на 50%) навер12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ное, не совсем корректно относить в заслугу профессиональному мастерству оператора. Так как производительность агрегата на уборке зерновых
увеличилась лишь на 18,3%. В случае если отсутствуют другие причины
потерь времени, то теоретическая производительность агрегата снижается
или повышается пропорционально коэффициенту использования времени
смены. Автор, учитывая потенциальные возможности повышения эффективности технологий в сельском хозяйстве за счет человека-оператора, не
представляет предложения о совершенствовании самой технологической
системы и ее изменениях в процессе эксплуатации, которые оказывает решающее влияние на общую эффективность производства продукции.
К числу последних работ посвященных повышению эффективности
технологических процессов с позиции системы ЧМС, можно отнести исследования, которые выполнил И.Э. Липкович [176]. Он обобщил положительный опыт проведенных ранее исследований и дополнил их. Одним
из главных преимуществ этого подхода является то, что автор рассмотрел
и математически представил взаимодействие оператора и технологического средства, как человеко-машинную систему, функционирующую во
внешней среде, с целью получения результативного продукта. В представленной системе ЧМС довольно четко разделены функции всех ее участников. Рассмотрена взаимосвязь надежности оператора и технического средства с общей эффективностью их воздействия на внешнюю среду. При
рассмотрении надежности технического средства и ее изменения с увеличением продолжительности эксплуатации, в качестве основных мероприятий для восстановления работоспособности автор предлагает плановопредупредительные ремонтные воздействия, которые предусматривают
замену изношенных и поврежденных деталей и узлов на новые, без устранения причин вызывающих эти повреждения. Как отмечает и сам автор,
последующий межремонтный ресурс уменьшается, но своевременные
профилактические взаимодействия обеспечивают эффективность работы
системы ЧМС.
Более сложные процессы взаимодействия технических средств с
внешней средой происходят при производстве продукции животноводства.
Источником продукции в этой отрасли являются живые организмы – животные. Уровень, количество, качество и длительность получаемой продукции напрямую связаны и зависят от состояния животного, уровня его
биологических и генных возможностей, от правильности и сбалансированности кормления, поения, условий содержания, микроклимата, качества и
состояния зооветеринарной обработки и многих других факторов. Вопросам надежности системы «человек-машина-животное» (ЧМЖ), на примере
технологического процесса доения коров, посвятили свои исследования
И.А. Хозяев, Л.П. Карташов и другие [302, 125, 126].
В работе Л.П. Карташова [126] изложены методологические принципы обеспечения работоспособности системы ЧМЖ, предложена зависимость для определения вероятности безошибочной работы оператора при
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
доении коров. Тем самым автор обосновал, что для надежного выполнения
процесса доения коров должны быть учтены внешние и внутренние возмущающие факторы системы ЧМЖ, которые влияют на поведение оператора. Эта зависимость учитывает стаж работы, квалификацию и утомляемость оператора.
В последующих его работах [125,126] также подчеркивается значимость квалификации оператора. Более квалифицированные специалисты в
течение продолжительного времени работы рациональнее используют свои
возможности, допускают меньшее количество ошибок, меньше подвергаются воздействию возмущающих факторов, чем специалисты меньшей
квалификации. При разработке логической модели, которая определяет алгоритм действия дояра, в качестве объективного критерия предложены
коэффициенты стереотипности и логической сложности. В результате таких подходов обоснована надежность технологического процесса доения
коров, которая определяется надежностью человека-оператора.
Дальнейшее развитие сложной технологической системы ЧМЖ
представлено в исследованиях Н.П. Алексенко [6]. Обобщая накопленный
опыт знаний, посвященных этой проблеме, он усовершенствовал теоретические зависимости надежности системы ЧМЖ для процесса стрижки
овец, разработал алгоритм действия стригаля и его показателей надежности, как биологического звена системы ЧМЖ. При этом, если в исследованиях технологического процесса доения коров как системы ЧМЖ, авторы
справедливо подчеркивают наибольшую значимость такой подсистемы как
«человек-животное», то в процессе стрижки овец неоспоримую важность
приобретает техническое звено. Надежность подсистемы «машина» определяется надежностью всех элементов стригального оборудования, в которое входят стригальный агрегат, стригальные машинки, точильный и доводочный аппараты и другое оборудование. Автором выявлены основные
отказы каждого из элементов этой подсистемы и разработаны мероприятия, обеспечивающие повышение вероятности безотказной работы оборудования.
При этом основные направления повышения эффективности технологического процесса в большей степени сводятся к использованию рациональных способов организации и технологии стрижки овец, повышению квалификационного уровня и профессионального мастерства стригалей, обоснованию норм расхода запасных частей, некоторым конструктивным усовершенствованиям отдельных деталей, оптимизации периодичности обслуживания редуктора стригальной машинки и другим мероприятиям [6].
Общим положительным моментом этой и других работ, посвященных надежности и эффективности технологических процессов на основе
влияния операторов является то, что они показывают реальные ресурсосберегающие направления, которые можно реализовать на практике [6].
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Подготовка кадров, их обучение, переподготовка, социальное и материальное стимулирование, достижение прочих мотиваций, забота об их
здоровье, создание благоприятных условий в работе - все это должны предусматривать руководители разных уровней предприятий. Но при этом все
представленные подходы можно отнести к сопутствующим и дополнительным мерам, которые повышают общую эффективность сельскохозяйственного и всех других видов производства.
Решающее значение и роль в машинных технологиях принадлежит
техническим средствам. Своевременное обновление техники, внедрение
новых машин и оборудования, которые создаются не только для выполнения своей главной функциональной задачи в технологическом процессе, но
и с учетом комфортных, безопасных и надежных условий для операторов,
является следующим важным ресурсосберегающим направлением при
производстве сельскохозяйственной продукции.
1.2 Разработка обобщенной теоретической модели повышения
эффективности технологического процесса
Анализ теоретических и экспериментальных работ, представленный
в первой главе диссертации, показывает, что на современном этапе развития науки существует большое многообразие самих подходов и направлений, посвященных повышению эффективности технологических процессов
(ТП) при производстве сельскохозяйственной продукции.
Несмотря на разнообразие подходов, довольно четко просматривается общая и принципиально объединяющая все исследования составляющая – это подход с позиции случайных вероятностных процессов и математическое описание взаимодействия этих систем с использованием методов теории вероятностей [46, 55, 70, 71, 141, 200].
Учитывая выше изложенное, нами предлагается новый комплексный подход к решению проблемы повышения эффективности сельскохозяйственного производства, особенно с учетом тех реальных условий, в
которых в настоящее время осуществляется производство сельскохозяйственной продукции.
Обобщая несколько последних исследований, в которых отражен
ряд новых подходов к решению проблемы эффективности ТП [97, 176, 2, 3,
13, 6, 16, 29, 46, 75, 92, 96, 171, 126, 215 и др.], нами предлагается обо бщенная модель формирования и повышения эффективности ТП, которая
представлена на рисунке 2.1.
Любой ТП, согласно нового подхода, можно представить как сложную систему, в которой случайным образом формируются между ее подсистемами и элементами связи, зависящие от множества переменных, объективных и субъективных факторов.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 1.3 – Обобщенная модель формирования эффективности ТП
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На выходе из ядра этой системы появляется итог этого взаимодействия в виде «результата», а в некоторых случаях, в зависимости от уровня
анализа технологии, может быть получена и конечная продукция.
Система, формирующая результат ТП, представляет собой совокупность двух подсистем «человек-машина-среда» (ЧМС) и «человекмашина-животное» (ЧМЖ), которые находятся во взаимодействии с еще
одной важной подсистемой «социальный заказ общества» (СЗО). Данную
подсистему представил профессор Э.В. Жалнин [97] при разработке компьютерной системы «Уборка урожая».
На наш взгляд, данная подсистема СЗО имеет одну из ведущих позиций при формировании конечного результата, и разработка математических формализованных методов описания ее успешного функционирования является темой проведения отдельных научных исследований.
Под подсистемой «социальный заказ общества» нами понимается
уровень заинтересованности общества в производстве данного вида продукции, внедрение новых видов технологий, создание принципиально новых технических средств, развитие и подготовка инженерно-технических
кадров и профессионально подготовленных операторов, создание развитой
социальной и научно-технической инфраструктуры, внедрение новых и
совершенствование существующих законодательных, финансовых, юридических и правовых нормативных документов, которые все в общей совокупности дают возможность увеличения выпуска продукции и обеспечения ее высокими показателями качества.
Всем давно известен тот факт, что даже в одинаковых производственно-климатических условиях при производстве продукции соседние
предприятия получают неодинаковые в количественном и качественном
выражении результаты, которые зависят не только от состояния участников системы ЧМС или ЧМЖ, но и состояния системы СЗО. Значит, при
формализованном математическом описании и оценке «системы ТП», требуется введение таких подходов, которые учитывают фактическое или
предполагаемое состояние всех основных участников изучаемой системы.
Для оценки эффективности ТП воспользуемся основами теории вероятности и теории надежности [71, 200, 223]. Каждое сложное событие
можно оценить как соотношение удачного или успешного применения к
общему возможному количеству использования данного объекта. Обозначим его как предел потенциальных, эффективно возможных применений
объекта. Введем его обозначение и представим в виде зависимости:

 =  ,
(1.1)

где  i – функция, характеризующая предел потенциально возможных применений;
Mi, Ni – соответственно, количественная характеристика успешного
и общего применения.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Количественная характеристика Mi, Ni может выражаться теми единицами измерения, которые в наибольшей степени отражают эффективность выполнения ТП. Такими единицами могут быть время работы, объем
произведенной продукции, глубина обработки, скорость движения, степень измельчения и другие величины, которые характеризуют меру производимого эффекта в зависимости от назначения объекта.
Исходя из физической природы, предел потенциальных возможностей  i представляет собой функцию надежности объекта, т.е. способность
повторять его функциональное действие в соответствии с назначением и
степенью соответствия полученного результата заданному значению.
Учитывая это, предел потенциальной эффективности (то же самое,
что и показатель надежности объекта) имеет область действительных значений, которая удовлетворяет условию:
0   i  1.
(1.2)
В дальнейших расчетах и математических выражениях ограничимся
общим подходом к системе СЗО и, учитывая основные его составляющие,
представим меру эффективности этой системы в виде функционала  СЗО.
Поскольку закономерности изменения этого функционала зависят
от социальных, политических, гуманитарных, правовых, юридических, агрономических, технологических и других составляющих, которые являются предметом исследования соответствующих научных направлений, представим этот показатель в общем виде при рассмотрении системы «эффективность технологического процесса».
Математическая зависимость данного функционала может быть
представлена в виде:
 СЗО = f(Сi, Пj, ПPk , Юi, Аn, Тt, …),
(1.3)
где Сi, Пj, ПPk , Юi, Аn, Тt … ̶ соответственно, комплексы составляющих параметров, характеризующие социальные, политические, правовые, юридические, агрономические, инженерно-технологические и другие
составляющие, каждая из которых дополнительно изменяется в своих пределах (i, j, k, n, a, t).
В общем виде этот функционал можно рассматривать как условную
сферу или шар, фактический объем которого составит реальную долю или
часть от общего потенциально возможного объема. Идеальное состояние
возможно при равенстве этой доли с потенциально возможным объемом
сферы функционала СЗО.
Применительно к технологическим процессам в сельском хозяйстве
и учитывая то, что имеется уже достаточно большое количество исследований, посвященных системам ЧМС и ЧМЖ [176, 171, 215, 126, 6 и др. ], в
предлагаемой математической модели учтены все участники технологического процесса функционалами  i, которые имеют тот же физический
смысл, что и в уравнении (2.1).
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В общую модель ТП кроме функционала  СЗО включены параметры человека-оператора  ч, который участвует в системах ЧМС и ЧМЖ,
параметры передвижного или стационарного энергосредства Э, параметры рабочей машины (или машин)  м, параметры среды  с и параметры
животного  ж. На основе анализа выполненных исследований представим
математическую интерпретацию этих функционалов в общем виде.
Управление рабочими машинами, энгергосредствами, бережное отношение к ним, а также принятие правильных, быстрых и точных решений
зависит от надежности подсистемы ч, которая может быть представлена
следующим выражением:
 ч = f(Мч, Кч, СОч, Тч, …),
(1.4)
где Мч, Кч, СОч, Тч, … ̶ комплексы, характеризующие систему «человек-оператор», соответственно мотивационный, квалификационный,
оценивающий моральное и физическое состояние, надежность и точность
человека при выполнении операций и другие показатели.
При рассмотрении ТП производства продукции животноводства
важную составляющую в общей схеме повышения эффективности ТП выполняет такая своеобразная биологическая система как «животное». Надежность данной подсистемы, оцениваемая функционалом  ж, определяется следующей зависимостью:
 ж = f(Бж, Гж, Wж, Cож, Уж, Кж),
(1.5)
где Бж, Гж, Wж, Cож, Уж, Кж – комплексы, характеризующие систему «животное», соответственно биологические, генетические, продуктивность, состояние животного, условия содержания, качество кормления и
другие показатели.
Поскольку предлагаемая модель ТП базируется на многолетних
опытных данных и объединяет накопленные ранее знания, центральной
частью предлагаемого метода является «Триада» основоположника земледельческой механики В.П. Горячкина [75, 76].
Как отмечал академик В.П. Горячкин, любой технологический процесс представляет наличие трех главных составляющих: источник энергии
- рабочий орган – среда. Как отмечают исследователи, и показывает практика, от этих трех составляющих в наибольшей степени зависят результат
ТП и его эффективность.
Для правильной оценки результата и получения его наивыгоднейшего показателя, важную роль играет состояние среды и ее готовность к
реализации ТП. Это своеобразное состояние надежности среды оцениваем
функционалом  с и представляем его в следующем виде:
 с = f(ФМс, Wc, Bc, Ac, Гс, …),
(1.6)
где ФМс, Wc, Bc, Ac, Гс, … ̶ комплексы, характеризующие систему
«среда», соответственно физико-механические свойства, влажность, выровненость, агрегатное состояние, готовность среды и другие показатели.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Общие энергетические и материальные затраты формируются рабочими машинами при их агрегатировании с энергосредствами. Хотя энергетические средства можно укрупненно разделить на мобильные и стационарные, но их общий функционал  э можно представить в следующем
виде:
 э = f(Nэ, э, qэ, КГэ, …),
(1.7)
где Nэ, э, qэ, КГэ, … ̶ комплексы, характеризующие подсистему
«энергосредство» соответственно, мощность, коэффициент полезного действия, удельный расход топлива, коэффициент готовности энергосредства
и другие показатели.
Общий объем производимой продукции и количество фактически
получаемого результата во многом определяется подсистемой «рабочая
машина» функционал м представлен в следующем виде:
 м = f(Wм, КГм, kм, Тм, …)
(1.8)
где Wм, КГм, kм, Тм, … ̶ комплексы характеризующие подсистему
«рабочая машина», соответственно, производительность, коэффициент готовности, удельное сопротивление, технологичность рабочего процесса
машин и другие показатели.
Взаимодействие таких сложных подсистем (которые в определенных условиях могут рассматриваться как самостоятельные системы) как
система СЗО, система ЧМС или ЧМЖ, способствуют получению результата ТП.
Одним из главных свойств продукции является ее качество. Для
оценки качества изделия применяют различные показатели, но наибольшее
распространение получили комплексные показатели, которые учитывают
несколько отличительных признаков продукции по качественному критерию.
Нами предлагается оценивать конечный результат в виде «обобщенного критерия качества», который представляет собой функционал Q.
Его величина показывает степень соответствия получаемого результата,
какому-то заранее заданному значению (можно сказать идеальному варианту, к которому необходимо стремится с требуемой точностью), по одному или нескольким показателям.
Отклонение составляющих обобщенного критерия качества Q приводит к его снижению, что при реализации ТП сказывается на увеличении
потерь продукции и снижении ее качества. Перечень составляющих критерия Q, зависит от прямого назначения ТП, и его можно представить в следующем виде:
Q = Ф(Sр, Nр, Тр, Ур, Кр, …)
(1.9)
где Sр, Nр, Тр, Ур, Кр, … ̶ составляющие, характеризующие качество
получаемого результата, соответственно, степень неравномерности, количество отклонений от нормы, отклонение технологических показателей,
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
уровень потерь продукции, потери качества продукции и другие составляющие.
Как уже отмечалось, каждая подсистема всех участников ТП может
представлять собой условными шарами, объем каждого из которых потенциально может представлять какой-то максимальный объем равный 1. Совокупное пересечение этих исходных шаров дает нам объем такой реальной продукции ВТП, которая получена в долях от потенциально возможной
ВТП. Математически это можно выразить соотношением:
ВТП = ВПТТП
(1.10)
где ВТП, ВПТ – соответственно, объем продукции реальной получаемой и потенциально возможной от реализации ТП;
 ТП - функционал, отражающий текущее состояние участников ТП.
 ТП = f( соц,  ч,  ж,  м,  э,  с)
(1.11)
Рассматривая реализацию ТП с точки зрения вероятностного процесса и представляя все составляющие в виде вероятности эффективного
функционирования подсистем и элементов (аналогично вероятности безотказной работы), можно записать выражение для определения функционала  ТП в следующем виде:
 ТП =
 1
1 
+ ( − 1)
−1
(1.12)

где i – функционалы, оказывающие влияние на реализацию ТП;
N – общее количество подсистем, входящих в функционал.
Ограничившись количеством подсистем ТП (например, N = 6), рассмотренных в общем виде по представленной модели, выражение (1.12)
можно записать в следующем виде:
 ТП =
1
 СЗО
+
1
ч
+
1
ж
+
1
С
+
1
э
+
1
м
−5
−1
(1.13)
Такая математическая зависимость позволяет сделать вывод о том,
что если выполняется условие  СЗО   ч   ж   с   с   м, то  ТП 
 СЗО, то это отвечает теореме умножения вероятностей, согласно которой
вероятность наступления сложного события, зависящего от других событий, будет меньше или равна самого наименьшего значения среди составляющих этого события. Т.е. если какая-то одна подсистема ТП (например,
 СЗО) будет иметь функционал равный 0,7, а все остальные функционалы
будут иметь максимальное значение ( i = 1), то общий функционал  ТП =
0,7.
Вводя значение функционала  i , который имеет физический смысл
надежности подсистемы или системы в целом, можно отметить еще один
дополнительный факт о ненадежности изделия или подсистемы. Соотношение уровней надежности и ненадежности как показали результаты выполненных исследований [166] должно компенсироваться дополнительными затратами, которые необходимо учитывать из-за снижения показателя  i.
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В случае, если надежность ТП, технических систем или подсистем,
отдельных технологических операций оценивается показателем  i, то ненадежность можно оценить показателем Ωi = 1 -  i. Тогда для сравнения
разных вариантов ТП, оценки эффективности технических средств, а также
каждого из участников ТП ( соц, ч,  ж, м,  э,  с), по нашему мнению
более информативным, достоверным и наглядно демонстрирующим преимущества одного варианта над другим, может служить показатель Фрi –
фактическая результативность i- того объекта. Этот показатель предлагается автором данной диссертации. Физический смысл показателя Фрi заключается в том, что он показывает, сколько приходится надежных применений объекта на каждое ненадежное (соответствующих и несоответствующих установленным требованиям), т.е. фактическая результативность
объекта.
Численное значение предлагаемого показателя фактической результативности можно определить, используя следующее выражение
р =


.
(1.14)
Зависимость (1.14) более информационно выглядит графически, в
виде функции показателя фактической результативности от надежности
объекта. Зависимость Фрi = f( i) представлена на рисунке 1.4.
Данная зависимость асимптотически приближается к вертикали,
соответствующей максимально возможному значению показателя надежности, при  i = 1,0. В интервале изменения надежности до значения 0,9
(рис. 1.4 а) значение показателя фактической результативности на этом
участке наиболее интенсивно нарастают при повышении надежности объекта более 0,4.
а - при  i = 0 … 0,9
Фрi
б - при  i = 0,9… 1,0
Рисунок 1.4 – Зависимость показателя фактической результативности объекта
от изменения его надежности при i = 0 … 0,9 (а) и при i = 0,9 … 1,0 (б)
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При значении надежности объекта  i = 0,4, его фактическая результативность составляет Фрi = 0,67, а если  i = 0,9, то Фрi = 9. Практически это показывает, что фактическая результативность увеличивается более чем в 13 раз при соответствующем повышении надежности в 2,25 раза..
В интервале изменения надежности 0,9 … 1,0 (рис. 2.2 б) использование предлагаемого показателя фактической результативности особо подчеркивает значимость каждого, даже малозаметного, этапа, обеспечивающего повышение исходной надежности объекта.
Значения надежности объектов  i = 0,990 и  i = 0,995 недостаточно информативны. Если же оценить эти объекты через показатель Фрi, то
сразу видны явные преимущества второго варианта, имеющего несколько
большую надежность всего на 0,5 % по сравнению с первым. Показатель
Фрi для представленного примера составляет 99 и 199, соответственно. По
этому показателю фактическая результативность второго варианта выше в
2,01 раза.
Весьма наглядно показатель фактической результативности объекта
демонстрирует его преимущества для реальной практики. Если при работе
пахотного агрегата надежность процесса вспашки имеет те же значения,
что и в рассматриваемом примере (например, при оценке глубины обработки), то в первом варианте на каждые 99 га пашни, удовлетворяющей заданным требованиям, приходится 1 га неудовлетворяющий им. Во втором
случае, на каждые 199 га приходится 1 га не соответствующий заданным
требованиям.
Используя предложенный показатель фактической результативности объекта Фрi, можно производить оценку и других ТП, технических
средств, а также любого участника ТП.
Учитывая надежность участников ТП, на рисунке 1.5 представлен
системный алгоритм формирования объема, характеризующего результат
и количество произведенной продукции ВТП. Формирование этого объема
происходит на пересечении объемов всех шаров, которые входят в общую
схему ТП. Нетрудно заметить, что объем продукции на выходе будет расти
при увеличении каждого функционала  i , которые входят в данную систему. Но его общая величина при этом не превысит значения наименьшего
функционала.
Общий эффект реализации технологического процесса можно определить по минимуму удельных затрат на производство продукции:
З
ЭТП = общ
(1.15)
ВТП
ции;
где ЭТП – эффект по удельным затратам на производство продук-
ЭТП  min.
Зобщ – общие затраты на производство продукции.
Отличительной особенностью учета затрат является то, что при
расчете эффекта целесообразно вести учет не только фактических мини23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мально необходимых затрат, но и тех дополнительных затрат, которые связаны с принятой схемой реализации ТП и потерями качества продукции,
тогда
Зобщ = З + ЗТП + ЗQ
(1.16)
2
1
n
BПВ
…
BТП
…
а
б
Рисунок 1.5 – Системный алгоритм формирования результата (а) и количества
произведенной продукции (б)
где З – затраты, необходимые для получения продукции;
ЗТП - дополнительные затраты, связанные с надежностью подсистем системы рассматриваемого ТП.
Данные затраты можно определить с учетом каждого функционала
всех подсистем ТП по зависимости:
ЗТП =f( СЗО, ч,  ж,  с,  э,  с)
(1.17)
где ЗQ – дополнительные затраты, связанные с низким качеством
продукции, или недостаточным уровнем обобщенного критерия качества
Q.
Эти затраты можно найти установив зависимость:
ЗQ =f(ПВ, ПQ, Пэ, Пс, …)
(1.18)
где ПВ, ПQ, Пэ, Пс, … ̶ соответственно, потери продукции, качества,
энергии, сырья и другие составляющие.
В результате проведенного теоретического исследования предложена общая модель формирования эффективности ТП, которая позволяет
выявить наиболее рациональные пути совершенствования ТП на разных
уровнях его анализа, начиная с этапов разработки, проектирования и з аканчивая совершенствованием и модернизацией ТП в условиях реальной
эксплуатации.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.3 Методологические принципы обоснования новой классификации технологических процессов
Рассматривая общую модель повышения эффективности ТП, установлены те основные возмущающие факторы, которые в совокупности определяют конечный результат и затраты на его достижение. При этом данные составляющие оказывают свое влияние, как на простые, так и на достаточно сложные ТП.
В разделе 1.5 была представлена классификация основных ТП в
сельскохозяйственном производстве, которая насчитывает 40 ТП в авторской редакции профессора Э.В. Жалнина [97]. Анализ этих и ряда других
ТП показывает, что большинство из них включают в себя ряд условно более простых и частично повторяющихся в одних и тех же ТП. С другой
стороны, ряд ТП в растениеводстве и животноводстве имеют большое
сходство между собой, но реализованы на практике по-разному. Это накладывает субъективные предпосылки в решении вопроса реализации технологической операции.
Как известно [80, 87, 257, 324], выделение общих классификационных признаков, группировка и соответствующее кодирование продукции −
одно из важнейших и обязательных правил при проведении работ по стандартизации. Успешное и широкомасштабное применение такой стандартизированной продукции является не только залогом увеличения объемов ее
выпуска, сокращения затрат на производство, но и дает возможность совершенствования свойств и параметров этой продукции.
Осуществляя подход к ТП с.х. производства с таких позиций, возможного их совершенствования, управления ими и повышения их эффективности на всех стадиях жизненного цикла. Нами предлагается классифицировать по-новому существующие ТП через такие элементарные процессы, каждый из которых по своей сути выполняет схожие операции исходя
из своего назначения. Это позволит разработать механизм эффективного
управления процессом.
В настоящее время можно отметить большое многообразие подходов, (которые носят зачастую противоречивый характер) как к реализации
самой технологии производства продукции, так и к аппаратурному и конструктивному исполнению машин для ее осуществления.
Такое разнообразие является на наш взгляд следствием следующих
причин:
- отсутствуют обобщающие критерии и подходы к главному назначению ТП при его реализации;
- предлагаемые схемы осуществления ТП основаны на использовании метода аналогий и применения машин из других ТП;
- в настоящее время не вскрыты главные закономерности ТП или
недостаточно новых знаний для эффективного его выполнения;
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- не в полной мер используются новейшие разработки, полученные
в физике, химии, трибоматериаловедении, триботехнике, нанотехнике и
других новых направлениях науки, а также сами материалы, машины и
оборудование для реализации ТП в сельскохозяйственном производстве.
Исходя из представленного выше, а также выполнив анализ методологических подходов к указанной проблеме и способам ее решения, нами предлагается существующие в настоящее время ТП выражать через
ключевые процессы, которые объединены в 5 групп. Выделение ТП в соответствующую группу осуществляется по функциональному признаку.
Функциональный признак (или назначение) является главным критерием и
определяющим параметром, который необходимо достичь или получить в
конце этого процесса. Схема ключевых процессов в сельхозпроизводстве в
таком представлении дана на рисунке 1.6.
Рисунок 1.6 – Схема ключевых процессов с.-х. производства
К основным ключевым процессам отнесены процессы:
− разделения исходного материала или среды на части;
− создания требуемого уплотнения исходного материала;
− перераспределения и создания заданного соотношения между
частицами материалов;
− выделения нового материала из исходного;
− транспортировка (перемещение) материала из одного положения
в другое с заданной интенсивностью.
Рассмотрим более подробно каждый из этих ключевых процессов.
Практически трудно представить любой из всех сорока процессов
без такого ключевого процесса разделения, где бы ни осуществлялось от26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
деление частей или деление на части исходного материала. Основные разновидности этого процесса представлены на схеме (рис. 1.7).
а)
Подрезание пласта
Резание металла
Перерезание стеблей растений
Измельчение растительного материала
б)
Рисунок 1.7 – Классификация и условная схема ключевого процесса «разделение материала на части»: а) общий вид схемы ключевого процесса; б) примеры ключевого процесса
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Подрезание пласта (при вспашке), сорняков (при культивации), перерезание стеблей однократное (при скашивании) и многократное (при измельчении), резание материала и другие процессы составляют основу и
являются разновидностью этого первого ключевого процесса. Главной определяющей задачей этого процесса является разделить исходный материал на заданное количество частей.
Хотя главная задача этого ключевого процесса и является общей
для его разновидностей, но решается на практике она по-разному. Это послужило причиной появления для каждого конкретного случая не только
большого многообразия рабочих машин, но и создания в них новых рабочих органов, которые непосредственно вступают во взаимодействие с обрабатываемым материалом и именно они формируют конечный результат
процесса. Накопленный многовековой практический опыт и основные теоретические закономерности земледельческой механики предопределили
направления в создании рабочих органов для этой группы: в виде лезвий
(рис. 1.7б) для измельчения материалов, разделения ударом зерновых, в
форме клина при различных операциях почвообработки и обработки металлов (рис. 1,7а). Такие формы рабочих органов используются и в настоящее время.
Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов, сохранения
влаги и питательных веществ, уменьшения объемов хранения и перевозки,
создания условий консервации, фиксации созданных пропорций между исходными компонентами и другие операции являются разновидностями
другого ключевого процесса: «создание требуемого уплотнения исходного
материала». Классификационная схема разновидностей этого процесса
представлена на рисунке 1.8. В эту группу могут быть отнесены такие процессы как гранулирование, прессование, трамбовка, сжатие, растягивание,
уплотнение, рыхление, прикатывание и другие процессы, для которых характерно достижение требуемой плотности материала.
В этой группе можно выделить две подгруппы, в которых принципиально отличается достижение конечной цели ключевого процесса. В одной подгруппе достижение требуемого уплотнения осуществляется сближением частиц исходного материала, а в другой, - отдалением частиц друг
от друга. Но при этом общей задачей для всех разновидностей этого ключевого процесса является: «достижение требуемой плотности материала».
Для большинства с.х. процессов этой группы решение поставленной задачи состоит в изменении концентрации воздуха в исходном материале, что необходимо учитывать при разработке конструкции рабочих
машин. Положительный опыт в этом направлении совершенствования машин и повышения эффективности их функционирования, представлены в
исследованиях Н.Е. Руденко, В.И. Щербины и др. [240, 241, 316, 317].
Как известно, отдельные компоненты, взятые и рассматриваемые
каждый сам по себе, не позволяют получить требуемого результата от их
применения.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а)
Прикатывани е
Уплотнение
Растягивание
Гранулирование
б)
Рисунок 1.8 − Классификация и условная схема ключевого процесса «создание
заданной плотности материала»: а) общий вид схемы ключевого процесса; б) примеры
ключевого процесса
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Смешивая исходные компоненты в единую смесь, и используя ее по
своему назначению, достигается поставленная задача, а в некоторых случаях получается новый продукт или материал.
Учитывая принципиальное сходство по своему функциональному
назначению, процессы, которые обеспечивают требуемое соотношение исходных компонентов, объединены в следующую группу (рис. 1.9). При
этом данный ключевой процесс может быть представлен процессами перемешивания, периодического и непрерывного смешивания, кондиционирования, брожения, ферментации и другими процессами, в которых требуется создание необходимой концентрации и соотношения между исходными компонентами. Сложность этих процессов, большое количество переменных факторов и исходных компонентов, режимов работы, условий реализации самих процессов, большое разнообразие критериев и методов
оценки их завершенности определяет особый статус данного ключевого
процесса.
Хотя главной целью этого ключевого процесса является в принципе
не сложная задача, - необходимо создать в заданном объеме готового продукта требуемую концентрацию (соотношение) исходных компонентов.
Особую значимость данный ключевой процесс приобретает в таких технологиях, где основным участником ТП выступают живые организмы, которые довольно чувствительно относятся к изменению концентрации отдельных ингредиентов корма. В работе [186] особо подчеркивается необходимость контроля качества водоподготовки и внесения минеральных
компонентов при приготовлении сухих, каше- и супообразных смесей.
Только тщательное и равномерное распределение таких ингредиентов дает
положительные результаты в получении конечной продукции за счет правильного кормления животных.
Но с другой стороны, при нанесении покрытий и упрочнении поверхностных слоев деталей машин, колебания концентрации исходных
компонентов также оказывают влияние не только на структуру металла, из
которого изготавливаются эти детали, но и на прочностные свойства рабочих органов, их надежность и долговечность [117, 274, 275].
Анализ известных исследований и новых подходов, направленных
на решение главной задачи этого ключевого процесса, показывают, что,
несмотря на большое разнообразие его разновидностей, различное конс труктивное и аппаратурное оформление рабочих машин, на практике существует общий единый инструмент повышения эффективности этого ключевого процесса. Он заключается в создании условий, которые способс твуют своеобразному диффундированию ключевых компонентов в основной массе смесей и установлению равновесной концентрации по аналогии
с процессами самопроизвольной диффузии газов и жидкостей.
В большинстве случаев это достигается экспериментальным определением оптимальных и рациональных режимов работы смесителей применительно к уже созданным в них рабочим органам, в зависимости от
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
свойств смешиваемых материалов и ингредиентов. Достаточного теоретического обоснования конструкции рабочих органов в имеющихся исследованиях не представлено.
а)
Смешивание
Перемешивание
б)
Рисунок 1.9 – Классификация и условная схема ключевого процесса «перераспределение и создание заданного соотношения между частицами материалов»: а) общий вид
схемы ключевого процесса; б) примеры ключевого процесса
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а)
Теребление
Обмолот зерновых
Сепарация
Фильтрация
б)
Рисунок 1.10 – Классификация и условная схема ключевого процесса « выделение нового материала из исходного»: а) общий вид схемы ключевого процесса; б) примеры
ключевого процесса
Следующим ключевым процессом является выделение нового материала из исходного. К числу разновидностей этого процесса можно отнести такие процессы как обмолот культур, процессы очистки и сушки, сепа32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рации, фильтрации, обрушивания, шелушения, вытирания и другие
(рис.1.10). Общей функциональный признак, который объединяет данную
группу операций, заключается в том, чтобы в результате какого-то воздействия из первоначального исходного материала выделить другой материал.
На первый взгляд, казалось бы, простая операция отделения зерновок от
колоса зерновых культур и полный сбор урожая реализуется в виде довольно сложной самоходной машины – зерноуборочный комбайн. Конструктивные особенности и компоновка комбайна сочетают в себе машины
из других ключевых процессов. При этом в ходе обмолота происходит не
только выделение зерна, но и выделение незерновой части. Само назначение процесса и его функциональные задачи определяют не только вид, количество и тип рабочих органов, но и их режим работы в зависимости от
исходного состояния материала, который подвергается обработке.
Как показывает реальная практика в этом ключевом процессе, в отличие от других, есть ряд очень важных нерешенных вопросов, которые
требуют принципиального решения. В первую очередь это связанно с тем,
что объединяя в единой машине функции нескольких машин, принципиально увеличиваются затраты на их содержание и эксплуатацию, особенно
при непродолжительном периоде использования ее в течение года.
Одним из направлений совершенствования оборудования этого
ключевого процесса, является разработка и использование принципиально
новых подходов и технологических схем, которые должны выполнять
главную задачу процесса - выделение нового материала из исходного с
наименьшими затратами и потерями продукции (например, электрическим
или элекромагнитным полем, статическим разрядом, лазерным лучом, центробежной силой или другим способом).
Пятым, и последним из предлагаемых ключевых процессов, является транспортировка материала из одного положения в другое с заданной
интенсивностью (рис.1.11).
Как правило, в этой группе не происходит, а в некоторых случаях и
не допустимо изменение свойств перемещаемого материала (за исключением таких операций как опрыскивание, опыливание). Главной задачей
данного ключевого процесса является интенсивность перемещения материала из одного месторасположения в другое, которое, как правило, оценивается производительностью. Представленные на рис.2.8 разновидности
этого ключевого процесса учитывают не только форму перемещаемого
груза, но и интенсивность транспортировки, качество изменения первоначального состояния и диапазон действий.
Разработанная классификация и краткая характеристика основных
процессов позволяют определить основные направления совершенствования существующих и вновь создаваемых технологий. Как следует из разработанной модели повышения эффективности ТП, наибольшее влияние
на конечный результат и уровень получаемых затрат оказывает состояние
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
триединой системы В.П. Горячкина: «энергосредство - рабочая машина среда».
а)
Перемещение манипулятором
Перемещение роликовым транспортером
Перемещение шнековым транспортером
Перемещение скребковым транспортером
б)
Рисунок 1.11 – Классификация и условная схема ключевого процесса «транспортировка
материала из одного положения в другое с заданной эффективностью»: а) общий вид
схемы ключевого процесса; б) примеры ключевого процесса
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При этом рабочая машина должна отвечать тем целям и задачам,
которые установлены назначением и разновидностью ключевого процесса
в зависимости от вида и состояния среды. Энергосредство, как правило,
приводит в действие рабочий орган машины и является главным и основным источником затрат.
Учитывая то, что и энергосредство, и рабочая машина представляют собой технические средства и в наиболее значительной степени оказывают влияние не только на качество получаемой продукции, но и на эффективность всей технологии, рассмотрим их с позиции сложных технических систем, долговечность и безотказность которых определяется свойствами и надежностью низших элементов системы.
Для этого частично воспользуемся материалом, который представлен в первом разделе данной работы при анализе существующих подходов
к техническим системам и обзоре основных особенностей развития нового
научного направления об инженерии поверхности деталей.
1.4 Разработка иерархической схемы технических средств
Современные технические средства можно рассматривать как
сложные технические системы, состоящие из множества подсистем и элементов. Такое деление позволяет выявить бесчисленное множество элементов, которые каждый сам по себе в отдельности формирует и определяет общую фундаментальную надежность технической системы.
Под системой в теории надежности понимается совокупность элементов (или подсистем), объединенных конструктивно или функционально
в соответствие с заданным алгоритмом взаимодействия при выполнении
определенной задачи в процессе применения по назначению. В теории
систем считается, что система является сложной, если она состоит из
большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой
элементов (подсистем) и способна выполнять сложную функцию [223].
Деление систем на простые и сложные возникло из-за появления
систем, имеющих в своем составе совокупность подсистем с наличием
функциональной избыточности. Простая система может находиться только
в двух состояниях: состоянии работоспособности (исправном) и в состоянии отказа. При отказе элемента простая система либо полностью прекращает выполнение своей функции, либо продолжает ее выполнение в полном объеме, если отказавший элемент резервирован. Сложная система при
отказе отдельных элементов и даже целых подсистем не всегда теряет работоспособность, зачастую только снижаются характеристики ее эффективности. Это свойство сложных систем обусловлено их функциональной
избыточностью и, в свою очередь, затрудняет формулировку понятия «отказ» системы. Отказ сложной системы определяется как событие, обусловленное выходом характеристик эффективности за установленный допус35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тимый предел. Величину этого предела обычно связывают с частичным
или полным невыполнением системой своих функций.
Как известно [113, 140, 199, 200, 223], надежность системы оцениваются такими показателями как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Обеспечение этих показателей для технических систем, находящихся в реальных условиях эксплуатации, довольно
сложный и многогранный процесс, складывающийся из разнообразных
форм воздействия на подсистемы и элементы систем с целью придания им,
или поддержания, тех свойств, которые позволяют функционировать безотказно всей системе. При этом каждый элемент имеет несколько определяющих свойств, создав которые техническая система продолжит свое
функционирование с необходимыми параметрами. Задать и реализовать
эти главные свойства можно на этапах проектирования, производства и
эксплуатации технической системы.
Анализ конструктивных схем современных сложных систем показывает, что они, как объект исследования надежности, представляют собой
сложные последовательно-параллельные и параллельно-последовательные
структуры.
И поэтому на современном этапе особую значимость приобретает
правильное выделение и определение в общей структуре системы его самого низшего звена, который является самым многочисленным и элементарным.
Как было отмечено в первой главе данной работы, существующие
классификации предусматривают в своем разделении низшим элементом
иерархической схемы детали соединений (рис.1.6), которые дают жизнеспособность всей сложной системе. Но, с одной стороны, в такой схеме не
учтены те детали, которые не образуют соединения, но оказывают существенное, а в некоторых случаях, и определяющее значение на формирование надежности всего технического средства. С другой стороны, каждая
деталь, входящая или не входящая в состав соединения, имеет, как правило, несколько рабочих поверхностей, которые отличаются друг от друга не
только физико-механическими свойствами поверхностных слоев, но и
формой РПДМ. При этом сами детали машин и их рабочие поверхности
находятся в сложном взаимодействии с другими деталями, с внешней средой и выполняют свои служебные функции. К тому же те детали, которые
не образуют соединения, как правило, своими рабочими поверхностями
воздействуют на среду с целью выполнения главной цели ТП. Поэтому, на
наш взгляд, в общую классификацию технического средства необходимо
добавить еще одну ступень, которая отражает низший элемент системы –
рабочие поверхности деталей (рис.1.12).
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Техническая система (ТС)
Агрегаты (Атс)
Сборочные единицы (СЕ А)
Соединения (С СЕ)
Детали соединений (Дс)
Детали сборочных единиц (ДСЕ)
Рабочая поверхность (РПД)
Рабочая поверхность (РП Д)
Рисунок 1.12 – Предлагаемая иерархическая схема деления технических систем
Принципиальное отличие предлагаемой иерархической схемы технических средств заключается в том, что в ее структуру включены не
только сборочные единицы (СЕА), которые не имеют в своем составе соединений, но и рабочие поверхности всех деталей, образующих и необразующих соединения. На схеме (рис.1.13) они обозначены символом - РПД.
Как известно, каждая деталь, изготовленная из одного материала,
имеет несколько рабочих поверхностей, причем зачастую с совершено
разными свойствами поверхностных слоев. В свою очередь эти свойства
устанавливаются исходя из условий функционирования и назначения детали. Поэтому, учет этих особенностей каждого поверхностного слоя детали
позволит дать не только объективную оценку общей надежности всей сис37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
темы, но и определить способы повышения эффективности технологического процесса и увеличения ресурса технического средства на разных
стадиях его жизненного цикла: разработке, изготовлении, эксплуатации,
ремонте.
Особую значимость изучение свойств РПДМ приобрело в последние годы, когда появляются совершенно новые уникальные открытия в
триботехнике, триботехнологии, трибоматериаловедении на макро-, микро- и наноуровнях [21, 44, 67, 272, 309,]. Дальнейшее развитие получает
изучение качества поверхностного слоя, которое за этапы своего развития
осуществлялось от беспорядочного неопределенного учета неровностей до
комплексной оценки его состояния, учитывающей как все виды возможных неровностей (макроотклонения, волнистость, шероховатость), так и
физико-химические и физико-механические свойства (структуру, фазовый
и химический состав, наклеп, остаточные напряжения и другие свойства).
Качество поверхностных слоев деталей машин (ПСДМ) вызывает интерес
ученых самых различных направлений: физиков, химиков, метрологов, механиков и технологов.
Анализ выполненных исследований, а также опыт практической
эксплуатации различных технических средств показывает, что, несмотря
на большую значимость получения требуемых параметров ПСДМ, необходимо, чтобы эти свойства в полной мере, отвечали в первую очередь,
тому функциональному назначению и главной цели ключевых процессов,
для которых предназначена каждая конкретная РПДМ.
Как уже отмечалось, особую значимость среди основных направлений учения об инженерии РПДМ занимает направление, которое посвящено оптимизации формы РПДМ. Большинство рабочих поверхностей и рабочих органов не имеют оптимальной формы, а зачастую принимаются по
методу подобия или на основе прототипов. Но, говоря об отсутствии у
большинства рабочих органов оптимальной или рациональной формы, тем
не менее, не следует забывать, что не только форма детали оказывает
влияние на долговечность и безотказность машины. В определенных условиях без создания качественного ПСДМ невозможно улучшить общую надежность системы. Для повышения эффективности технических средств и
технологических процессов, в которых они применяются, с учетом проведенного анализа можно рекомендовать на практике проводить комбинирование простых геометрических форм рабочих органов и сочетать это не с
объемным, а с поверхностным упрочнением создаваемых РПДМ.
Поэтому, предложенный подход оценки надежности технических
средств и заключается в том, чтобы на практике сформировать, создать и
обеспечить необходимые свойства РПДМ, как самого распространенного,
многочисленного и низшего элемента всей системы. Это позволит разработать и реализовать новые ресурсосберегающие направления по улучшению эффективности использования тех изделий, машин и оборудования,
которыми располагают в настоящее время производители продукции.
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 1.13 – Классификация рабочих поверхностей деталей
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Принципиальное отличие предлагаемого метода заключается в том,
что любая РПДМ должна иметь такую оптимальную или рациональную
форму и свойства ПСДМ, которые полностью отвечают функциональному
назначению и условиям применения рабочих органов или деталей.
Все РПДМ разделены на три большие группы (рис. 1.13). Это позволит на основе новой иерархической схемы разрабатывать ресурсосберегающие направления повышения эффективности использования всей машины.
К первой группе РПДМ отнесены такие рабочие поверхности, которые взаимодействуют с материалом или средой с целью изменения их первоначальных свойств в соответствии с назначением данного процесса.
Главным определяющим параметром этой группы РПДМ выступает форма
рабочей поверхности, а дополнительным параметром, который обеспечит
стабильность выполнения основной функции рабочего органа, будут показатели качества и состояние ПСДМ.
Рабочие поверхности этой группы в эксплуатации должны разделять исходный материал на заданное количество частей, смешивать до заданного соотношения исходных компонентов, создавать требуемое уплотнение материала, выделять новые материалы из исходного, перемещать с
заданной интенсивностью и выполнять другие функции, которые характеризуют конкретный технологический процесс.
В следующую группу РПДМ включены рабочие поверхности, которые для обеспечения долговечной и безотказной работы изделия контактируют с рабочими поверхностями других деталей. К этой группе относятся
РПДМ подвижных и неподвижных соединений, соединений сложной формы (шпоночных, шлицевых, резьбовых, зубчатых и других соединений),
работающих в условиях смазки и без нее, отличающие по составу и структуре ПСДМ, а также другие контактирующие поверхности. Для этой группы главным ресурсоопределяющим фактором выступает качество и свойства ПСДМ, которые должны учитывать условия контакта. Для обеспечения долговечной и безотказной работы РПДМ этой группы должны
иметь требуемые параметры шероховатости, учитывать оптимальные отклонения формы, соответствовать по значениям твердости и структуре материала, из которого они изготовлены. Особую роль в обеспечении долговечности этих РПДМ приобретают условия и виды смазывающих материалов, которые в значительной степени обеспечивают повышение ресурса и
снижение энергетических затрат. Но все эти мероприятия в первую очередь зависят от условий контакта и функционирования детали и ее рабочих
поверхностей.
В отдельную группу РПДМ нами выделены рабочие поверхности
деталей, которые выполняют функции корпусных и воспринимают силовые рабочие нагрузки и нагрузки от общей массы машин и оборудования,
предназначенные для крепления на них рабочих органов и обеспечивающие другие задачи. В первую очередь это различного вида рамы, корпуса,
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стойки и другие сложные несущие конструкции, выполненные литьем,
ковкой, штамповкой, сваркой и другими современными методами изготовления базисных деталей и узлов. Эта группа деталей и сборочных единиц
имеет существенное влияние на общую работоспособность изделия в целом. Но все же решающее значение в формировании надежности машин и
оборудования, как основного участника технологических процессов, оказывают РПДМ первой и второй групп.
Комплексное изучение функционирования рабочих поверхностей
деталей определенных машин позволяет выявить конкретные пути увеличения работоспособности этого вида техники, находящейся в реальных условиях эксплуатации, за счет модернизации узлов этих машин, повышения
ремонтопригодности узлов и обеспечения требуемых свойств РПДМ.
В связи с этим, является актуальной проблема повышения работоспособности машин, оборудования и прочей сельскохозяйственной техники, находящейся в реальных условиях эксплуатации. Для решения данной
проблемы предложен новый подход к рассмотрению способов формирования надежности машин и оборудования, реализация которого на конкретных машинах уже сегодня позволяет не только увеличить работоспособность техники, но и увеличить сбережение материальных ресурсов, снизить себестоимость производимой сельскохозяйственной продукции. В основе предлагаемого метода лежит принцип модернизации или создания таких требуемых или необходимых свойств рабочих поверхностей деталей
машин (РПДМ), которые наилучшим образом и в течение заданного периода стабильно выполняют свои служебные функции в соответствии с назначением.
1.5 Методологические подходы к повышению эффективности
контактного взаимодействия рабочих органов машин с материалом
Как отмечалось ранее, особое значение в общей модели формирования эффективности ТП занимают не только свойства РПДМ, но и свойства материалов или среды, на которую они воздействуют. Практически
все исследователи, при разработке новых и модернизации существующих
машин, руководствуются основными положениями, которые разработаны
основоположником земледельческой механики академиком В.П. Горячкиным [76].
Работа большинства сельскохозяйственных машин и орудий связана с прямым их воздействием на обрабатываемый материал, в качестве которого могут выступать почва, растения, сорняки, корма, животные и другие объекты. Среди целенаправленного воздействия рабочих органов на
обрабатываемый материал или среду преобладают механические воздействия, которые приводят к изменению первоначальных свойств этих объек41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тов. Отмечая важность изучения механических свойств материалов, академик В.П. Горячкин указывал на необходимость органической увязки такого изучения с конкретными исследованиями рабочих органов машин и
оборудования, а также с теми процессами, для которых они предназначены.
Процессы взаимодействия рабочих органов с материалом являются
довольно сложными и описание их точными математическими зависимостями сопряжено с большими трудностями, а в ряде случаев и невозможно.
Накопленный опыт знаний и уровень проработки выполненных исследований показывают, что для успешного решения проблемы повышения эффективности ТП на современном этапе целесообразным является предлагаемый нами новый методологический подход. Он состоит не только в
объединении ряда ТП в ключевые, но и в определении эффективности
функционирования рабочих машин через объективно оптимальные свойства РПДМ, которые должны соответствовать главному целевому назначению ТП.
Анализ работ В.П. Горячкина [76], В.А. Желиговского [105], Н.Е.
Резника [239], П.М. Василенко [52], Мельникова [187] и ряда других исследователей, показывает, что для выполнения конечной цели ТП в соответствии с его назначением, к материалу со стороны рабочего органа необходимо подвести определенный объем необходимого и достаточного энергетического потока. При этом подводимый поток энергии в каждом из
предложенных ключевых процессов имеет принципиальное сходство по
способу достижения требуемого результата рассматриваемого ТП. Организация доставки этого потока энергии непосредственно к материалу и изменение его первоначальных свойств напрямую зависит от вида рабочего органа и свойств РПДМ.
Контактное взаимодействие рабочих органов с материалом, характерное для всех ключевых процессов, имеет существенное влияние не
только на энергоемкость ТП, но и на качество и скорость достижения требуемого результата. Учитывая это, выполнение главной задачи и цели
ключевого процесса при взаимодействии рабочих органов с материалом
можно разделить условно на два этапа: начало контакта и его развитие до
полного выполнения процесса.
Начало контакта независимо от вида и свойств материала можно
рассматривать как удар, закономерности развития которого, несмотря на
прошедший период, наиболее точно можно оценить исходя из положений
работ, выполненных В.П. Горячкиным [75]. Согласно его теории, рассматривая стебель растения как упругий стержень, в материале в момент
контакта образуется волна деформации, которая распространяется в поперечном и продольном направлениях. Особое место уделяется скорости
распространения продольных деформаций, которые, в первую очередь, зависят от свойств материала. Но в полученных математических выражениях
не отражена зависимость размеров зоны общей деформации материала от
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
размеров и формы самого рабочего органа, вступающего в непосредственный контакт с материалом. Вместе с тем, при разработке процессов измельчения и резания, которые по своему функциональному назначению
нами отнесены к ключевому процессу «разделение материала», все исследователи и практики справедливо отдают предпочтение и указывают на
значимость такого геометрического параметра рабочего органа, как его
острота [6, 187, 239]. Исходя из этого, в момент удара часть энергии рабочего органа концентрируется в материале на каком-то участке, который зависит от формы и размеров рабочего органа, а остальная мгновенно рассеивается в материале.
Рассматривая удар стеблей С.В. Мельников [187] установил, что
скорость распространения удара для разных упругих материалов колеблется в достаточно широком диапазоне и составляет 800…1000 м/с. Используя известные математические зависимости можно установить, что при такой скорости удара, распространение деформаций в продольном направлении в каждую сторону составит 0,03 м (при продолжительности удара
Δt=3·10-5с). Но указанная информация не содержит данных о величине
площади рабочего органа, который наносил удар. Если предположить, что
это осуществлялось рабочим органом в виде лезвия, которые имеют, как
правило, угол заточки в пределах 30…400 и острую кромку шириной 30
мкм, то размер зоны деформации в продольном направлении в момент
контакта мгновенно увеличивается в 1000 раз. При этом волна деформации
развивается и в поперечном по отношению к прилагаемому воздействию
на материал направлению. В том случае если рассматривать материал как
упругий элемент, то при снятии нагрузки материал восстанавливает свою
форму.
Реализация большинства ТП требует дальнейшего развития первоначального контакта для выполнения главного условия ключевого процесса с заданными параметрами качества результата. Именно на этом этапе
должны поддерживаться те исходные условия контакта, которые получены
на первом этапе.
Объединяя и синтезируя ряд ранее выполненных исследований, а
также те исследования, которые получены лично автором, представим некоторые общие закономерности контактного взаимодействия рабочего органа с материалом, характерные для ключевых процессов с.-х. производства.
Общеизвестно, что сельскохозяйственные материалы и среды отличаются не только своим многообразием, но и широким спектром изменения физико-механических свойств каждого из них. Но при контакте рабочего органа с материалом независимо от его вида в нем образуется зона их
взаимодействия, объем которой в значительной степени отличается от
площади непосредственного контакта. Размеры этой зоны зависят, в первую очередь от вида, физических и механических свойств материала.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рабочий орган имеет поверхность, которая непосредственно вступает в контакт с материалом. В соответствии с назначением рабочий орган
воздействует на обрабатываемую среду так, чтобы придать ей характер и
свойства, форму и размер частиц, таких, как этого требует условия ТП в
соответствие с его назначением. В любом случае энергия Еро, подводимая
от рабочего органа к обрабатываемой среде, будет складываться из полезной ЕП, которая расходуется на придание необходимых свойств материалу,
и энергию рассеяния Ез, которая затрачивается на трение, нагрев, преодоление упругих или пластических деформаций и другие виды работы:
ро = п + з .
(1.19)
Вся энергия концентрируется на рабочей поверхности рабочего органа и ее можно определить как удельную потенциально возможную приходящуюся на единицу площади рабочего органа.
При этом в зависимости от свойств материала, количество подводимой энергии (полезной) для достижения цели имеет строго определенное значение для конкретного вида материала, а задача воздействия рабочего органа как раз и состоит в том, чтобы его потенциальные возможности были максимально направлены на результат.
Потери энергии в идеальном варианте должны стремиться к нулю.
Конечно, это только идеальный вариант, но если оценить это коэффициентом эффективности, аналогично коэффициенту полезного действия, то это
соотношение можно представить в следующем виде:

э =  п =
ро
ро −з
ро
=1−
з
ро
,
(1.20)
Исходя из этой зависимости можно утверждать, что задачей при
разработке изделия и его эксплуатации является достижение такой цели,
когда рассев энергии практически отсутствует, т.е. в пределе эта доля затрат должна быть равна нулю. В реальной действительности такого результата можно добиться исключительно редко потому, что на формируемый объем контактного взаимодействия рабочего органа с материалом
оказывает влияние большое количество как постоянных, так и переменных
параметров, которые определяются условиями этого контакта и зависят от
него.
Общая зона деформации имеет довольно сложную форму, поскольку деформационные изменения в материале, происходящие на всем протяжении контакта, развиваются в различных плоскостях скольжения. Основными параметрами, определяющими размеры зоны деформации, выступают в первую очередь форма рабочей поверхности рабочего органа и углы
его расположения при контакте с материалом (А), свойства среды (Б), скорость приложения нагрузки и давление в контакте (С). Общий объем зоны
распространения деформации в материале (Vзд) можно представить условной записью, которая позволяет сгруппировать эти параметры в независимые комплексы, и представить ее в виде следующей зависимости:
зд = (А, Б, С).
(1.21)
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Зависимость (1.21) в общем виде учитывает влияние формы рабочего органа и его геометрических параметров, которые учитываются функциональным комплексом А. Комплексом Б, учитывающим свойства среды,
и режимов контактирования рабочего органа с материалом – комплекс С.
При продвижении рабочего органа в материалах, имеющих различную степень устойчивых (или не устойчивых) связей между частицами,
различную плотность, вязкость, наличие структуры, имеющих сплошность
или дискретность, по данным наших и других исследований [34, 105, 160,
161, 259] одним из главных и решающих факторов развития зоны деформации выступает форма рабочего органа.
Многие рабочие органы машин и оборудования АПК имеют довольно сложную рабочую поверхность, которая обоснована, как правило,
на основе частных экспериментальных исследованиях и такие формы рекомендуются в специфических условиях их применения. Но при этом следует отметить, что любая сложная поверхность, в соответствии с основными положениями математики, состоит из совокупности простых геометрических фигур, которые в конечном итоге и образуют форму рабочего органа. К числу простейших геометрических фигур относятся точка, отрезок,
линия и окружность. Их сочетание дает наиболее распространенные формы рабочих органов в виде прямоугольных, треугольных, круглых, выпуклых, вогнутых, шаро- и элипсообразных поверхностей, а также их различные комбинации.
Характер взаимодействия показывает, что при любой форме рабочего органа перед ним образуется зона деформации, форма и размер которой хотя и отличаются друг от друга, но все они имеют более или менее
выраженные три основные области (рис. 1.15).
Рисунок 1.15 – Схема характерных областей зоны деформации материала
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В непосредственном контакте с рабочей поверхностью находится
зона А, которая в большинстве случаев определяется как ядро уплотнения
(или нарост на резце) за счет увеличения плотности, твердости материала,
сжатия частиц в устойчиво сформированном объеме. Это ядро при выпо лнении установленной задачи либо остается перед рабочим органом усто йчивым (постоянным) или характеризуется периодами возникновения и
«гибели». Наличие ядра уплотнения, по описанию ряда авторов [105, 165,
259], может привести как к улучшению процесса, так и его ухудшению.
Так при механической обработке (точении, резании, строгании и др.) появление нароста на инструментах и его рост объясняются свойствами обрабатываемого материала, а также режимом резания. Возникновение и гибель ядра уплотнения вызывают износ режущей кромки и увеличение ее
ширины. Изменение геометрии резца приводит к увеличению шероховатости обрабатываемой детали, повышению температуры, изменению геометрических размеров и отклонений формы обрабатываемой детали. Основной причиной этого является увеличение колебаний наиболее вероятного
пути развития трещины при образовании стружки. Аналогичная картина
наблюдается и при взаимодействии с почвой рабочих органов почвообрабатывающих машин, у которых подрезание пласта и его отделение от основного массива почвы происходит за счет опережающей трещины, развивающейся преимущественно в плоскости заданной глубины обработки и
формирующейся геометрией лезвия рабочего органа.
Образование и развития ядра уплотнения наблюдается и у рабочих
органов, имеющих более узкий участок рабочей поверхности, например на
лезвиях. При этом за счет более высокой концентрации энергии на единицу площади лезвия происходит критическое разрушение сплошного материала, его растяжение, разрыв, измельчение или резание.
С.В. Мельников [187] представляет процесс резки корнеклубнеплодов исходя из условий взаимодействия материала с клином. В соответствии с теорией клина процесс образования стружки (резка) при резании
корнеклубнеплодов по сути дела напоминает процесс рождения и гибели
зоны деформации и протекает следующим образом.
В первый момент клин с углом α (рис. 1.16) внедряется в материал
под действием силы Р, сжимая его на пути а. Развиваемая зона деформации распространяется случайным образом ниже линии резания. В следующий момент, когда сила Р достигает некоторого предела, происходит скалывание элемента стружки на длине l, которая всегда больше пути а сжатия.
Проведенные исследования позволили установить, что линия скалывания несколько опережает лезвие клина; вначале она углубляется в
толщу материала, а затем направляется под некоторым углом вверх. Однако до поверхности разрыв не доходит, и скалываемые элементы получаются связанными между собой (стружка скалывания). Усадки или укорочения
элемента стружки при резании корнеклубнеплодов не наблюдается, т. е.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
l=l1. Такая картина наблюдается при остром клине. При его затуплении,
характер развития деформаций изменяется.
Рисунок 2.12 − Схема внедрения клина в кормовую свеклу
Далее вокруг зоны А, т.е. ядра уплотнения, образуется зона Б (рис.
2.11), в которой осуществляется полное перемещение или частичное смещение частиц. При этом эти смещения вызывают необратимые изменения
свойств или структуры материала.
Под действием рабочего органа в зоне Б в материале образуется
след, который после прохождения деформатора смыкается. При этом происходит перемещение слоев материала и их смешивание. Эту область общей зоны деформации можно определить как зону возбуждения материала.
За условную границу этой зоны для сыпучих, вязкопластических и влажных сред можно принять смещение частиц материала на величину их
среднего размера. Поэтому установить эти границы можно только экспериментально.
Самая обширная в контакте это зона В (рис. 1.17), в которой происходит распространение волн деформации. Они гаснут, рассеиваются, затухают и теряются, но не приводят к достаточному смещению частиц и не
влияют на изменение структуры материала. Условно зону В можно назвать
упругой, в которой рассеивается энергия рабочего органа, не приводящая к
достижения требуемого эффекта.
Из этого следует, что, независимо, от формы рабочих органов при
их контакте с материалом, в последнем образуется зона деформации, размер которой в значительной степени определяется формой рабочего органа. Для достижения требуемого эффекта и стабильного повторения этого
эффекта в соответствии с назначением рабочего органа необходимо подбирать такие формы рабочих органов или их комбинации, которые позволят это реализовать исходя из установленных закономерностей развития
деформации в материале.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Достижение заданной эффективности технологического процесса
будет возможно не только за счет изготовления рабочих органов, которые
имеют оптимальную форму рабочей поверхности, но и за счет стабильного сохранения этой формы при многочисленном применении по назначению. То есть форма и свойства рабочего органа и его рабочих поверхностей должны быть такими, чтобы наилучшим образом обеспечить реализацию производственных процессов в течение заданного периода времени
эксплуатации.
1.6 Обобщенная методика повышения эффективности технологических процессов за счет формирования требуемых свойств РПДМ
Важную роль в общей эффективности любого технологического
процесса в АПК играют технические средства. В предыдущих разделах
этой главы настоящей диссертации были разработаны теоретические и методологические подходы к решению указанной проблемы. Теоретически
установлено, что любой способ повышения эффективности ТП за счет технических средств, возможен только через обеспечение требуемых свойств
РПДМ, которые являются самыми многочисленными низшими элементами
всех технических средств. Решение задачи обеспечения надежности технической системы за счет РПДМ предусматривает ряд обязательных этапов, которые в совокупности формируют методику повышения эффективности ТП.
Схема и последовательность достижения эффекта за счет РПДМ
при реализации ТП представлены на рис. 1.18.
Для выявления резервов повышения эффективности ТП строится
детерминированная схема машины как часть сложной технической системы, состоящей из узлов, агрегатов, соединений, деталей и их рабочих поверхностей. При этом анализу могут подвергаться и отдельные узлы, агрегаты рассматриваемых технических средств с позиции системного анализа.
Результатом завершения данного этапа является разработка иерархической схемы рассматриваемого объекта.
Следующим этапом предлагаемой методики является определение
целевого назначения РПДМ, которые подвергаются анализу. Устанавливается схема функционирования технической системы (машины) и область
задач каждой рабочей поверхности в зависимости от назначения. Рассматриваются РПДМ по отношению к среде (участие в ключевых процессах), и
по отношению к другим РПДМ (подвижные, неподвижные, условия смазки, характер нагрузки, режимы контактного взаимодействия и другие показатели).
Для выбора теоретических моделей описания надежного функционирования РПДМ и технического средства в целом, определяются особенности работы поверхностных слоев и условия их контакта в зависимости
от назначения.
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 1.18 – Схема обобщенной методики повышения эффективности ТП за
счет формирования требуемых свойств РПДМ
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Устанавливаются все факторы, влияющие на оптимальную работу
данной поверхности в функции работоспособности системы, и определяется функция наивыгоднейшего решения, за счет которой можно добиться
повышения эффективности ТП.Основные факторы, влияющие на конечный результат, разделяются по группам и стадиям их возможной реализации (проектирование, изготовление, производство и т.д.). Производится
выбор преобладающего уровня, реализация и проверка наивыгоднейшего
решения. В этом отношении следует отметить, что для РПДМ, предназначенных для выполнения ключевых процессов, выбор преобладающего
признака, в первую очередь сводится к установлению соответствующей
формы рабочего органа, а затем свойств ПСДМ. Для РПДМ, находящихся
в контакте с другими РПДМ, которые, как правило, уже имеют одну из
простейших форм (круглую, плоскую, цилиндрическую сферическую или
др.), необходимо обеспечивать требуемые свойства ПСДМ (твердость, шероховатость, химический состав, микротвердость и др.). Особое значение
уделяется выявлению тех параметров РПДМ, которые можно улучшить на
этапе эксплуатации, а также методов и способов их реализации.
Оценка технических средств и их РПДМ осуществляется по показателям фактической результативности и общей экономической эффективности ТП, которые дают возможность установить эффект выполненных мероприятий создания требуемых свойств РПДМ.
1.7 Основные направления решения проблемы надежности и
эффективности МТА.
Эффективность производства сельскохозяйственной продукции определяется многими факторами, такими как природно-климатическими условиями, организациционно-производственными, технико- и социальноэкономическими и другими факторами. Значимость исследования этих
факторов в условиях рыночных преобразований и ошибок в аграрной политике государства все более возрастает [35, 101, 177, 220, 271, 290].
Изменения в структуре товарного производства хозяйств и отсутствие дотаций со стороны государства на производство убыточных технологий производства продукции животноводства, привели к резкому снижению ее выпуска. Ошибочное отсутствие социального заказа на различные
виды животноводческой продукции повлияли на изменение севооборотов
и увеличение продукции растениеводства товарного направления, а не
кормового. Вместе с тем общая эффективность сельскохозяйственного
производства определяется уровнем затрат производства как продукции
растениеводства так и продукции растениеводства.
Проведенный анализ состояния техники, которым обеспечены в настоящее время сельхозтоваропроизводители, а также учет особенностей
производства сельскохозяйственной продукции, уровень и структуру ее
себестоимости показывает, что повысить эффективность технологических
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
процессов возможно за счет организационно-технологических, модернизационных, ремонтно-восстановительных и других мероприятий, которые
напрямую связаны с использованием технических средств и оборудования.
Поэтому анализ экспериментальных и теоретических исследований, а также передового практического опыта, посвященных этой проблеме, будем
вести в следующей последовательности.
Одним из важных направлений повышения надежности и эффективности технологических процессов, в соответствие с рекомендациями
ведущих научно-исследовательских институтов и других, является свойства и долговечность рабочих органов сельскохозяйственных машин при
выполнении технологических процессов.
Производство любого вида сельскохозяйственной продукции связано с использованием различных энергоносителей – электроэнергию, топливосмазочные материалы и другие виды топлива. Поэтому, использование
альтернативного топлива при выполнении технологических процессов, является важным способом ресурсосбережения при производстве продукции
АПК.
В условиях дефицита технических средств и высокой стоимости
новых машин и оборудования важным направлением повышения эффективности производства и снижения себестоимости получаемой продукции
является влияние технического состояния деталей топливной аппаратуры
при выполнении технологических процессов (рис.1.19).
НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Свойства и долговечность рабочих органов сельскохозяйственных машин при выполнении технологических процессов
Использование альтернативного топлива при выполнении
технологических процессов
Влияние технического состояния деталей топливной аппаратуры при выполнении технологических процессов
Рисунок 1.19 – Направления повышения эффективности технологических процессов
Рассмотрим более подробно исследования и практический опыт по
каждому из представленных ресурсосберегающих направлений.
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ СВОЙСТВ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ
РАБОЧИХ ОРГАНОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН
2.1 Виды обработки почвы и основные агротехнические требования к ним
Обработка почвы важнейший элемент системы агротехнических
мероприятий для возделывания сельскохозяйственных растений. Механическое воздействие рабочими органами машин и орудий на почву
формирует в ней условия, наиболее благоприятные для произрастания
сельскохозяйственных культур [93].
Важнейшими общими вопросами механической обработки почвы
являются также ее способы (с оборачиванием – отвальная, без оборачивания обрабатываемого слоя – безотвальная) и глубина обработки (поверхностная, мелкая, основная, глубокая), углубление и окультуривание
пахотного слоя, разноглубинная обработка почвы в севооборотах, сроки,
техника, скорости движения почвообрабатывающих агрегатов и качество обработки почвы.
Обработка характеризуется разнообразием и универсальностью
воздействия не только на почву, но и на растение, создавая однородный
по плодородию пахотный слой, что способствует быстрому формированию развитой корневой системы с первых фаз роста. В процессе механической обработки любой части пахотного слоя в почве формируется
оптимальное строение. Это обеспечивает мощное развитие и рост всходов культурных растений и предопределяет хорошее состояние стеблестоя посевов.
Система обработки почвы представляет собой совокупность научно обоснованных приемов обработки почвы под культуры в севообороте.
Существуют следующие виды обработки почвы: поверхностная,
мелкая, основная, глубокая (рис. 2.1).
Система основной обработки почвы традиционно состоит из
отвальной вспашки, чизелевания, дискования, боронования и лущения.
Основные агротехнические требования, предъявляемые к основным видам обработки почвы, представлены в таблице 2.1.
Агротехнические требования (АТТ), предъявляемые к обработке
почвы характеризуют состояние пахотного слоя, при котором возможно
выполнение технологического процесса обработки почвы, и определяют
необходимые величины качественных показателей этой обработки [202].
По мнению основоположника земледельческой механики академика
В. П. Горячкина, вспашка как наиболее распространенный прием основной
обработки почвы является самой важной, самой продолжительной, самой
дорогой и самой тяжелой работой. На ее выполнение расходуется до 40 %
энергетических и 25 % трудовых затрат [63].
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Виды обработки почвы
Поверхностная на глубину до 8 см
Культивация
Зяблевая
Минимальная
Шлейфование
Прикатывание
Боронование
Нулевая
Противоэрозионная
Грядкование
Окучивание
Бороздование
Мелкая на глубину от 8 до 16 см
Дискование
Мульчирующая
Лущение
Основная на глубину от 16 до 24 см
Вспашка
Пар
Двух- и
трехъярусная
Оборот пласта
Плантажная
Гладкая
Контурная
Гребнистая
Безотвальная
Культурная
Скоростная
Ромбическая
Фрезерование
Чистый
Безотвальная
Полупар
Плоскорезная
Ранний
Черный
Занятый
Глубокая на глубину 24 см и более
Вспашка
Культурная с
почвоуглублением
Мелиоративная
Снегозадержание
Щелевание
Чизелевание
Лункование
Взмет пласта
Кротование
Рисунок 2.1 – Виды обработки почвы
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 2.1 – Виды обработки почвы и основные агротехнические требования
Вспашка
1
Глубина вспашки 22–40 см. Отклонение среднеарифметического значения фактической глубины вспашки от заданной не должно превышать +/–5% . Отклонение ширины захвата плуга +/–10 %. При вспашке необходимо,
чтобы ширина и толщина пластов были одинаковыми,
растительные отстатки и удобрения полностью заделаны,
а гребни пластов имели высоту не более 4 см
Культивация
2
Глубина 5–7 см; поверхность поля должна быть ровная;
высота гребней и глубина борозд – не более 4 см; количество комков не превышать 10 шт/м², размер не более 5 см;
колеса агрегата должны проходить от рядка растений на
растоянии не менее 10 см
Боронование
3
Боронование проводится поперек пахоты. Каждый проход
должен перекрывать предыдущий на 10–15 см, огрехи не
должны превышать 10 м2/га. Величина комков после боронования не должна превышать 3 см, количество таких
комков не должно быть более 10 шт/м2. Бороны должны
равномерно рыхлить почву на глубину 5–8 см
Чизельная
4
Обработка на глубину 28–30 см для выравнивания пообработка
верхности поля, разуплотнения пахотного и подпахотного
слоев и увеличения его мощности
Лущение
5
Глубина обработки 6–14 см в зависимости от почвы. Отклонение +/–2 см; высота гребней не более 4–5 см; число
неподрезанных сорняков до 80 %; огрехи не более 10 м²/га.
Дискование
6
Скорость движения 7–12 км/ч. Глубина обработки 6–12 см.
Крошение почвы составило не менее 80 %. Подрезание
сорных растений и растительных остатков 100 %
Эффективность выполнения технологического процесса вспашки и
затрат ресурсов будут определяться конкретным почвообрабатывающим
орудием, т. е. в каком объеме качество работ, выполняемых почвообрабатывающим орудием, соответствует агротехническим требованиям, а также какие при этом будут финансовые затраты. Поэтому вопрос снижения затрат и
повышения эффективности технологического процесса в итоге будет сводиться к совершенствованию параметров, формы, материалу, технологии изготовления, стоимости изготовления элементов или деталей почвообрабатывающего орудия. В нашем случае – лемех лемешно-отвального плуга, от которого в основном зависят энергетические и качественные показатели выполнения технологического процесса, т. е. эксплуатационно-технологические
показатели работы пахотного агрегата.
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.2 Анализ конструктивных особенностей плужных лемехов и
способы повышения их износостойкости
Лемех – наиболее сложный, металлоемкий и самый быстроизнашивающийся орган плуга. Основные требования к нему [194]:
– срок службы до выбраковки или ремонта не менее сезона;
– соблюдение основных агротехнических требований в течение
срока службы: хорошая заглубляемость, равномерная глубина вспашки;
– обеспечение минимальных энергозатрат при вспашке (минимальное тяговое сопротивление);
– технологичный в изготовлении и относительно дешевый.
Как показывает практика, большинство из этих требований не выполняется, в результате стали создаваться лемеха различных форм и типов.
Геометрическая форма лемеха оказывает большое влияние на тяговое
сопротивление плуга. Все это определило необходимость изучения работы
лемеха, изыскания новых конструкций, способов предотвращения износа и
методов поддержания их работоспособности. Основные типы лемехов
представлены на рисунке 2.2.
Основные типы лемехов
Трапецеидальный
Со сменным лезвием
Оборотный
Долотообразный
Со сменным долотом
Треугольный
С выдвижным долотом
Зубчатый
Рисунок 2.2 – Виды лемехов
Наиболее простым по конструкции является трапецеидальный лемех, лезвие которого параллельно его спинке (рис. 2.3, а.).
Основными достоинствам этого лемеха являются его технологичность и дешевизна конструкции, обусловленные возможностью его изготовления из листового проката. Наиболее существенным недостатком его
является быстрая утрата заглубляющей способности и, как следствие, снижение равномерности глубины вспашки, т. е. нарушение одного из главных
критериальных показателей его работы.
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.3 – Конструкции лемехов: а – трапецеидальный П-702;
б – трапецеидальный с переменной шириной ЛДО-С21
Трапецеидальный лемех ЛДО-021(рис. 2.3, б.) содержит режущую
часть с прямолинейным лезвием, ребро жесткости со стороны нерабочей
поверхности, расположенное параллельно лезвию и выполненное по всей
его длине. Ширина лемеха увеличивается от пятки к носку. Для увеличения
прочности износостойкости лемеха производится местная закалка.
Отличительной особенностью лемеха ЛДО-021 по сравнению с серийным лемехом П-702 является то, что он выполнен трапецеидальным с
переменной шириной, имеет ребро жесткости для увеличения прочности и
изготовлен из лемешной полосы постоянного профиля. Последнее обстоятельство делает этот лемех более технологичным при изготовлении.
Недостатком его является повышение массы по сравнению с серийным на 0,35 кг и недостаточная прочность и износостойкость в носовой
части.
Для увеличения ресурса трапецеидального лемеха были проведены
исследования по разработке составного лемеха со сменным лезвием.
По замыслу разработчиков [22], конструкция составного лемеха (рис. 2.4)
должна была обеспечить увеличение его ресурса за счет изготовления
сменной узкой полосы лезвия из износостойкой стали Х12Ф1 и существенную экономию металла вследствие сохранения в качестве незаменяемой основы корпуса лемеха, содержащего около 80 % всего лемешного
материала.
Такой лемех не нашел практического применения по целому ряду
причин ни в нашей стране, ни за рубежом. Он недостаточно технологичен,
так как требует механической обработки достаточно протяженной поверхности, его болтовые соединения недостаточно надежны, ему присущи все
недостатки, характерные для трапецеидальных лемехов.
Оборотный лемех (рис. 2.5) имеет форму параллелограмма с режущими кромками на его длинных противоположных сторонах и ряд крепежных отверстий, расположенных на одной оси.
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.4 – Составной трапецеидальный лемех со сменным лезвием:
1 – корпус лемеха; 2 – сменное лезвие
Лемех имеет и второй ряд крепежных отверстий, расположенных по
другой оси. Оси рядов отверстий параллельны друг другу и расположены
под острым углом к режущим кромкам так, что расстояние от осей до режущих кромок выполнено увеличивающимся в направлении острых углов
параллелограмма. Режущие кромки могут быть выполнены с углами заточки, уменьшающимися в направлении острого угла параллелограмма
(а.с. № 93617).
Рисунок 2.5 – Оборотный лемех
Долотообразный лемех (рис. 2.6, а, б) имеет удлиненный носок в
виде долота, благодаря чему он лучше заглубляется и более устойчив в р аботе. На тыльной стороне лезвия и носка лемех имеет запас металла (магазин), предназначенный для оттяжки металла в зону износа при ремонте.
Так как в настоящее время кузнечная оттяжка лемехов не применяется, запас металла выполняет роль ребра жесткости, что обеспечивает лемеху
большую прочность на изгиб.
Изготавливается долотообразный лемех из специального лемешного
периодического проката в двух исполнениях: П-702 и ПНЧС-702. В связи с
чем, что у лемеха ПНЧС-702 увеличено плечо действия изгибающей силы,
сосредоточенной на конце носка, с 210 до 230 мм, эти лемехи подвержены
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
более частой выбраковке в процессе эксплуатации из-за изгиба и поломки
относительно опасного сечения в зоне первого крепежного отверстия.
Рисунок 2.6 – Конструкции лемехов: а – долотообразный П-702;
б – долотообразный ПНЧС-702
Материал для их изготовления – сталь Л-53 с местной закалкой и
отпуском на твердость 39.. .42 HRC [242].
К недостаткам этих лемехов следует отнести следующее:
– носовая часть лемеха имеет недостаточно прочное сечение. Толщина и угол заточки лезвия в носовой части такие же, как и на лезвийной
части, поэтому, при вспашке песчаных, супесчаных и легких суглинистых
почв лицевая сторона носка интенсивно изнашивается, особенно при наличии каменистых включений, в результате чего лемех имеет ограниченный
ресурс даже в случае упрочнения его наплавкой с обратной стороны;
– от конца носка до первого крепежного отверстия достаточно
большое расстояние, а значит, и большой изгибающий момент испытывает
лемех в сечении, проходящем через это отверстие, поэтому при наезде на
различные препятствия имеет место деформация и поломка носка.
Практический интерес представляет составной долотообразный лемех со сменным долотом (рис. 2.7).
Рисунок 2.7 – Составной долотообразный лемех со сменным долотом:
1 – корпус лемехас лезвием; 2 – сменное долото
Основным достоинством лемеха со сменным долотом является то,
что он позволяет более эффективно использовать металл корпуса лемеха с
лезвием. Так как интенсивность изнашивания носка значительно превышает интенсивность изнашивания лезвия, за срок службы одного лезвия мо58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жет быть установлено два или более долот. Кроме того, при изгибе или изломе носка необходимо заменить один носок, а не весь лемех полностью.
Недостатками его является снижение технологичности при изготовлении за счет дополнительной механической обработки поверхностей
соединения корпуса лемеха и долота, а также необходимость изменения
конструкции башмака и стойки серийного плуга [263].
Треугольные лемеха (рис. 2.8) применяют на некоторых специальных плугах, картофелекопателях, канавокопателях и рыхлителях, когда
требуется создать большое давление лезвия на отрезаемый почвенный
пласт.
Для вспашки каменистых почв, раскорчеванных участков при
большой глубине вспашки применяют усиление лемеха с щекой, приваренной снизу к носку, а также лемеха с долотом.
Рисунок 2.8 – Конструкция треугольного лемеха
В 70-е годы прошлого века широко испытывались свальные зубчатые лемехи (рис. 2.9) для тяжелых (а) и плотных сильно иссушенных почв (б)
[14].
Рисунок 2.9 – Сварные зубчатые лемеха
Такие лемеха хорошо зарекомендовали себя на вспашке сухих не
каменистых почв, однако на увлажненных и мягких почвах, засоренных
камнями, они получали отрицательные отзывы, вызванные поломками носового зуба, забиванием межзубового пространства и в связи с этим возрастанием силы тяги и выглублением плуга [22].
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для устранения недостатков в конструкциях лемехов, возникающих
в процесс эксплуатации, авторами предлагались различные направления
решения этих проблем.
Для повышения крошения почвы при вспашке предлагались лемеха,
изображенные на рисунке 2.10, а (а. с. № 1759249), б (а. с. № 1759250), в (а.
с. № 954006), г (а. с. № 1496649). У первых двух лемехов это достигается
за счет заостренных выступов на рабочей плоскости режущей части, а у
двух других – за счет выступов и выемок, выполненных в форме параболических кривых.
Однако такие поверхности склонны к образованию «мертвых зон»,
где происходит налипание почвы и, как следствие, снижение их крошащей
способности и увеличение тягового сопротивления плуга.
Рисунок 2.10 – Конструкция лемехов с повышенным крошением почвы при вспашке
Представляет интерес конструкция лемеха, предложенная Зацаринным А. А. [126] (рис. 2.11). Для упрочнения носка и повышения его
износостойкости на линии, проведенной из начала носка до первого кр епежного отверстия, выштамповано ребро жесткости и нанесена наплавка
в виде полос, параллельных оси симметрии носка, а на тыльной стороне –
параллельно полевому обрезу.
Наплавка нанесена по всей толщине основы лемеха на полевом обрезе и на обеих сторонах лезвия точечной наплавкой износостойкого элемента. Полосовая и точечная наплавка на противоположных сторонах размещена со смещением (сечение Б-Б, рис. 2.11, б).
Недостатками этого лемеха являются сравнительно быстрое затупление его лезвия при пахоте плотной, низкой влажности суглинистой и глинистой почвы, необходимость его неоднократной перезаточки, технологичная сложность его изготовления.
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.11 – Плужный лемех с криволинейным участком изгиба
Сравнительный анализ конструкций лемехов показал, что требованиям по простоте конструкции, функциональной надежности, технологичности, эксплуатационной экономичности наиболее полно отвечают цельные трапецеидальные лемеха, изготовленные из полосового или периодического проката. Их недостатком является небольшой ресурс по сравнению с остальными.
Способы повышения износостойкости плужных лемехов
Значительный вклад в разработку способов, повышения ресурса рабочих органов почвообрабатывающих машин внесли: А. Н. Розенбаум
[235], П. Н. Львов [264], М. М. Хрущев [291], В. С. Новиков [193], Д. Б.
Бернштейн [04], А. Ш. Рабинович [72], А. М. Михальченков [52], В. М.
Константинов [118],
И. Ш. Белинигер [14], О. И. Рылов [255] , В. Н.
Ткачев [262], С. А. Сидоров [78], А. Н. Батищев [16], Б. И. Костецкий
[120], В. Н. Винокуров [47], М. Н. Ерохин [77], М. М. Тененбаум [264], и
др.
Основные способы повышения ресурса рабочих органов, на основании анализа литературных источников [22–26, 28, 42 – 50, 78 – 81],
представлены на рисунке 2.12.
Применение износостойких материалов при изготовлении, исследовано А.Н. Розенбаумом [235]. Изучалось влияние кремния, титана, ванадия, кремния совместно с марганцем. Результаты исследований показали,
что износостойкость стали при абразивном изнашивании тем выше, чем
больше в них содержится углерода. Наиболее сильное влияние на износостойкость оказывает присутствие в структуре стали карбидов. Кремний
оказывает положительное влияние на износостойкость сталей, но из-за
низкой твердости эти стали для лемехов не применяются. Способствуют
повышению износостойкости стали титан, ванадий и вольфрам. Рекомен61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дуется также при односторонней закалке лемеха применять стали с возможно более высоким содержанием углерода [235].
Способы повышения износостойкости
Применение износостойких материалов при изготовлении
Термическая обработка материалов рабочих органов
Применение различных видов износостойких покрытий
Наплавка твердых сплавов
Электродуговая
Газопламенная
Индукционная
Плазменная
Намораживание
Электронапекание порошков
Электроимпульсное припекание
Металлизация
Нанесение керамических покрытий
Рисунок 2.12 – Способы повышения износостойкости плужных лемехов
Введение в сталь легирующих элементов исследовалось в работе
[235]. Результаты опытов позволяют сделать вывод, что износостойкость
сталей для лемехов можно повысить на 30–50 %, увеличив в них от 1,5 до
2 % С; от 6 до 12 % Si и при введении до 1,5–2 % Сr и V. Однако, применение перечисленных элементов в качестве легирующих влечет за собой
значительное удорожание стали, что экономически нецелесообразно.
Применение чугуна для изготовления лемехов позволяет производить законченные изделия по наиболее короткому циклу: жидкий металл –
готовое изделие. Исследование по применению высокопрочного чугуна
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
для изготовления лемехов производилось в трех направлениях:
– получение трехслойного лемеха с отбеленной поверхностью, отбеленным лезвием и с вязкой сердцевиной в сыром (без отжига) состоянии;
– получение лемеха со сквозным отбелом, последующим отжигом
спинки и сохранением отбеленного лезвия;
– получение лемеха отжигом всей отбеленной отливки с закалкой
лезвия [90].
По первому варианту получили отбеленную износоустойчивую
корку, толщина которой от 1,0–1,5 мм в верхней части возрастала до 3,0–
3,5 мм в направлении к лезвию. Само лезвие имело сквозной отбел. Однако
трехслойный чугунный лемех при полевых испытаниях не показал ни требуемой прочности, ни высокой износостойкости [90].
Второй вариант – отливка лемеха со сквозным отбелом и последующим отжигом крепежной его части – спинки. В этом случае место крепления получается вязким, а рабочая часть – лезвие – твердым и износостойким при рациональном использовании начальной твердости отливки.
Полевые испытания показали малую прочность данных лемехов.
Третий вариант предусматривал отливку лемехов со сплошным отбелом, путем термообработки получили перлитную структуру закалкой лезвия. Испытания этих лемехов показали удовлетворительные результаты
[90].
Лемеха, изготовленные по данному способу, из-за их невысокой
прочности не получили широкого применения 169].
Для увеличения износостойкости при абразивном изнашивании рабочих органов почвообрабатывающих машин, в частности лемехов, фирмы
"Lodpe Ceramic" и "Morgan Matrok" (Великобритания) приступили к выпуску керамических лемехов, срок службы которых по износостойкости
превосходит стальные в 12 раз, однако стоимость их изготовления очень
велика.
В процессе использования обнаружились недостатки этих лемехов:
при динамической нагрузке появляются сколы, что приводит к образованию трещин [169, 90].
Анализируя материалы и технологии, применяемые для изготовления лемехов, можно сделать следующий вывод. Основным материалом для
изготовления лемехов, являются железоуглеродистые сплавы – сталь и чугун. Для повышения их износостойкости и прочности производят их легирование различными химическими элементами. Высокие цены на высоколегированные стали и сложные технологии изготовления лемехов, требующие применения специального дорогостоящего оборудования, являются основанием для поиска новых технологических решений для изготовления дешевых лемехов.
Одним из способов термической обработки материалов рабочих органов является поверхностная закалка. Для поверхностной закалки лемехов, изготовляемых из профильной стали Л53, применялась кислородо63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ацетиловая горелка. Закаленная полоса располагалась вдоль режущей
кромки лемеха. Твердость после закалки составляла НRС 65-67. В результате испытаний установлено, что поверхностно-закаленные лемеха показали наиболее удовлетворительные результаты работы [76].
Как подтвердили проведенные опыты, закалка носков самозатачивающихся долотообразных лемехов обеспечивает увеличение срока службы в 1,5–2 раза. Повышение износостойкости материала несущего слоя на
носке объемной закалкой до твердости 35-45 НRС выравнивает скорости
износа слоев [173].
И. Ш. Белинигер [4] исследовал возможность повышения долговечности лемехов в результате поверхностной закалки лезвия токами высокой частоты. Этот метод не нашел практического применения, т. к. затраты не компенсируются эффектом от повышения износостойкости.
Были проведены исследования по повышению износостойкости
стали путем применения изотермической обработки. Такой метод обеспечивает прочность и пластичность при минимальных внутренних напряжениях [75].
Изометрическая обработка позволяет получить более высокую износостойкость (на 20–30 %), чем обыкновенная закалка с последующим
отпуском. Сталь 65Г, обработанная изотермически, имеет износостойкость
в 1,7 раза большую, чем при обычной закалке. Но после ремонта лемехов
эти преимущества исчезают, т.к. в условиях ремонтных предприятий изотермическую закалку выполнить практически невозможно.
Работы по наплавке рабочих органов были начаты в ВИСХОМе в
30-х годах ХХ века. Наиболее широко в ремонтных условиях распространилась наплавка лемехов сплавом «Сормайт» с применением газового
пламени [81]. Газовая наплавка обеспечивает получение на лезвии прочно
удерживающегося слоя равномерной толщины. Однако производительность ручной газовой наплавки очень мала. Так, для покрытия площади в 1
см2 расходуется 1,0–1,5 г сормайта, при этом за час работы наплавляется
площадь 100–140 см2. Процесс наплавки одного лемеха длится 15–20 мин,
расход карбида кальция составляет 0,85 кг и кислорода 0,165 м3.
Одним из новых направлений повышения долговечности рабочих
органов является применение металлокерамических покрытий [217, 227231, 242, 248, 256, 263].
Технология упрочнения керамическими материалами в общем случае заключается в том, что поверхности рабочих органов, подвергающиеся
наибольшему воздействию почвы, а следовательно, и наиболее изнашиваемые, защищаются керамическими пластинами. Крепление пластин на
поверхностях рабочих органов осуществляется с помощью высокопрочного
клея [22, 45].
Известен также способ нанесения комплексных покрытий электроимпульсным припеканием. Для упрочнения деталей машин методом припекания широко используются порошковые материалы. Среди них меха64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нические смеси, состоящие из металлических порошков матрицы (на основе железа, никеля, меди и др .) и наполнителей (карбидов, оксидов, сплавов
на основе железа, графита, дисульфида молибдена, полимеров и т. д.) [46].
Нанесение комплексных покрытий электроимпульсным припеканием
обеспечивается электронагревом порошка, помещенного между деталью и
электродом, за счет тепловой энергии, выделяемой электрическим током
на участке активного сопротивлении. Использование механических смесей
дает возможность, варьируя составом смеси (химическим и количественным) и размерами частиц, достигать необходимого качества и свойств покрытия.
Широкое применение для упрочнения деталей получила термодиффузионная металлизация (титанирование, хромирование). Одним из преимуществ этого метода является хорошая сцепляемость между основным и
твердым слоем [103]. Но у этого метода есть свои недостатки. Длительность процесса – основной недостаток, выдержка 8 ч, сушка тыльной стороны после обмазки защитной смесью –2 ч, отпуск –2 ч.
В последнее время более широкое распространение получила плазменная наплавка порошковых твѐрдых сплавов. Так, в работе [108] приводятся данные стендовых и эксплуатационных испытаний таких наплавочных материалов, как ПГ-С27, ГТГ-ФБХ-6-2, ПС-14-60. Авторами отмечаются повышенные физико-механические характеристики полученных
плазменных покрытий по сравнению с индукционной наплавкой тех же
материалов. Исследуемые покрытия позволяют повысить износостойкость
рабочих органов в среднем в 2,7 раза.
Наплавка намораживанием является высокопроизводительным способом получения износостойких покрытий необходимой толщины с высокими физико-механическими свойствами. При этом в качестве материалов
для наплавки предлагаются твѐрдые сплавы ПГ-ФБХ-б-2, ПГ-С27, ПГ-С1,
ПГ-УС25-I или их смеси [138–142]. Для защиты от выгорания легирующих
элементов, поглощения окислов и загрязнений, смачивания и защиты от
окисления наплавляемой поверхности в данном способе применяется флюс
АН-348А, который засыпается в тигель индукционной печи.
Износостойкий слой, получаемый намораживанием, имеет твѐрдость порядка HRC 52–55 при толщине покрытия 1–3 мм. Данный способ
отличается высокой износостойкостью покрытия вследствие характерного
для пего строения наплавленного слоя: направленная кристаллизация
твѐрдого сплава позволяет получать параллельно расположенные столбчатые кристаллиты, ориентированные перпендикулярно поверхности основного металла.
Необходимо отметить, что данный способ предъявляет повышенные требования к квалификации рабочего, занятого на операциях технологического процесса намораживания. При недостаточной квалификации
персонала, а также при отклонении от заданных параметров проведения
процесса велика вероятность получения некачественного покрытия.
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Обращает на себя внимание способ повышения износостойкости
поверхностных слоев материала рабочих органов диффузионной металлизацией. В частности в работе [144] исследовались слои толщиной более 0,3
мм, полученные в результате многостадийной химико-термической обработки. Первый этап предусматривает проведение титанирования детали с
лицевой стороны с использованием смеси на основе ферротитана ФТ-30
контактным газовым способом при температуре 1150 °С в течение 8 часов.
Затем проводится цементация газовым методом при температуре 840–930
°С в течение 14 часов с целью увеличения толщины диффузионного слоя с
высокой твердостью.
Заключительной операцией данного способа является объѐмная закалка, после которой твѐрдость упрочнѐнного металла составляет HRC 50–
56. Применение данного способа позволяет увеличить износостойкость в
3–4 раза при условии самозатачивания рабочего органа.
Метод контактно-дугового науглероживания позволяет получать
упрочнѐнный слой на поверхности детали толщиной 0,26–0,8 мм со структурой белого чугуна, обладающего высокой твѐрдостью. Науглероженные
рабочие органы работают до 3,5 раза дольше, чем изготовленные серийно
[145].
Оригинальная технология получения износостойких покрытий на
поверхностях рабочих органов предложена в работе [146]. Почворежущие
детали предлагается получать литьѐм в пенополистироловые газифицируемые модели с одновременным формированием твердосплавного покрытия. Тех-нология предполагает изготовление пенополистироловой модели
детали, на рабочие поверхности которой наносится жидкая суспензия из
порошков ПГ- С27 с добавками карбида бора В4С в количестве 2,4 и 6 %.
Подготовленная таким образом модель формуется в кварцевом песке и заливается жидким металлом (сталь 35ГЛ), при этом происходит выгорание
пенополистирола.
Полученное таким образом на поверхности отливки покрытие представляет собой белый высоколегированный чугун с высокой микротвѐрдостью (HV100-7,3-15,3 ГПа).
Несмотря на достаточно высокое повышение ресурса, к недостаткам данной технологии можно отнести еѐ сложность и, как следствие, высокую трудоѐмкость.
Перечисленные традиционные способы упрочнения поверхности
поч- ворежущих деталей позволяют получить твѐрдость наплавленного
слоя порядка HRC 50–70 и увеличивают ресурс детали в среднем в 2–5 раз.
На основании анализа можно сделать вывод, что, несмотря на
большое разнообразие применяемых методов для упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин, необходимо разработать универсальный, экономичный и эффективный способ повышения ресурса рабочих органов.
На основании проведенного анализа работ [96, 103, 117–120, 138–142,
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
191 - 197, 203, 217, 228 -231] можно сказать, что среди всех способов восстановления и упрочнения широкое распространение получила наплавка износостойким твердым сплавом.
Основными видами наплавочных материалов являются: стальная
сварочная проволока, порошковая наплавочная проволока, наплавочные
ленточные электроды, наплавочные литые прутки, плавленые карбиды
вольфрама, флюсы для наплавки, гибкие шнуры, электроды, порошки из
сплавов для наплавки.
Широкое распространение получили порошки из сплавов для наплавки. Порошки, предназначенные для нанесения защитных покрытий
методами наплавки, являются специфическим продуктом порошковой металлургии. К ним предъявляются требования, представленные на рисунке 2.13.
Наиболее полно указанным требованиям отвечают самофлюсующиеся сплавы. Самофлюсующимися сплавы называются потому, что они могут
быть оплавлены в окислительной или нейтральной атмосфере в плотное,
беспористое покрытие. Это обеспечивается наличием в их составе компонентов, имеющих высокую величину термодинамического потенциала образования оксида, значительно большую, чем наплавляемый металл.
К числу элементов, активно восстанавливающих оксидные пленки на
сталях, относятся H, B, C, Mg, Al, Si, Mn. Наибольшее применение для получения самофлюсующихся порошков получили B, Si, реже Mn. Бор относят к флюсующим элементам потому, что при взаимодействии с кислородными соединениями он ведет себя как активный восстановитель. Большинство оксидов металлов легко восстанавливается бором при высокой
температуре. Бор и кремний выполняют роль флюсующих добавок, так как
защищают от окисления разогретую наплавляемую поверхность и наплавляемый сплав. В результате взаимодействия с кислородом образуется борный ангидрид В2О3. Температура размягчения оксида бора (около 450 С),
значительно ниже температур плавления оксидов наплавляемого металла и
металла подложки.
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Требования к порошкам
Порошок должен иметь температуру плавления, значительно более низкую, чем материал детали
Высокая наплавляемость порошка
Высокая текучесть порошка
Однородность фракционного состава и высокая устойчивость против сегрегации
Рисунок 2.13 – Требования к порошкам
При флюсовании оксид бора воздействует на оксидную пленку основного металла, первоначально связывая оксиды в комплексы по реакции:
МехОу +В2О3МехОу В2О3
(2.1)
Основой самофлюсующихся сплавов служит никель или железо
(табл. 2.2). Для повышения устойчивости к трещинообразованию и улучшения свойств при ударных нагрузках вместо никеля используют кобальт.
Ряд сплавов содержат значительное количество меди для повышения антифрикционных свойств покрытия.
В настоящее время наиболее распространены самофлюсующиеся
сплавы на никелевой основе. Впервые о таких сплавах заявлено в 1937 году, когда в США была запатентована композиция из сплавов системы Ni–
Cr–B–Si (патент США № 2.038.838). Описание технологии наплавки было
дано в военные годы в патенте США № 3.361.962, а массовое промышленное применение процессов нанесения твердосплавных покрытий относится
к 60-м годам.
Таблица 2.2 – Области применения известных самофлюсующихся
сплавов
Эксплуатационные требования Основа самофлюсующегося порошка
к наплавленному покрытию
Co
Ni
Fe
Cu
Абразивная износостойкость
–
+
+
–
Износостойкость при трении
+
+
+
–
скольжения
Износостойкость при ударных
+
+
–
–
нагрузках
Антифрикционность
–
–
–
+
Жаростойкость, жаропрочность
+
+
–
–
Коррозионная стойкость
+
+
–
+
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наряду с неоспоримыми преимуществами (высокие технологичность, износостойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость) самофлюсующимся порошкам на никелевой основе присущ ряд серьезных недостатков, значительно снижающих эффективность восстановительноупрочняющей технологии;
высокая стоимость, обусловленная применением дорогостоящего
металла основы – никеля.
низкая трещиностойкость при нанесении покрытий на стальные детали, обусловленная высоким коэффициентом линейного расширения
(14,4…16,2)×10-6 К-1 [118];
нестабильность химического состава, строения и свойств высоколегированных металлических систем, каковыми являются самофлюсующиеся сплавы [118];
высокая чувствительность к технологическим режимам нанесения
покрытия. Требуемый комплекс свойств покрытия достигается лишь при
сохранении однородной мелкодисперсной структуры исходного порошка.
Даже незначительный перегрев резко снижает качества покрытия [119].
Таким образом, структура, хрупкость, трещиностойкость, износостойкость, экономические факторы часто ограничивают применение материалов на основе никеля. Анализ применения этих сплавов позволяет сделать вывод, что в большинстве случаев детали целесообразно наплавлять
менее дорогостоящими материалами на железной основе.
Исторически можно выделить три этапа и соответственно три
принципиальных направления разработки самофлюсующихся сплавов.
Первоначально велись разработки наплавочных смесей, в которых часть
дорогостоящего никелевого порошка была заменена железными порошками [119]. Таким образом удалось снизить стоимость материала в 2–4 раза
при достаточном уровне эксплуатационных свойств покрытий. Тем не менее, стоимость смеси оставалась достаточно высокой. Следующим шагом
стала разработка механических смесей на железной основе. В качестве
примера приведем смесь, выпускавшуюся Торезским заводом наплавочных твердых сплавов ФБХ6-2 (тип 400Х30Г4Р1С, ГОСТ 11546-57), предназначенную для получения покрытий, стойких в условиях абразивного
изнашивания. Недостатком указанных смесей является сегрегация компонентов при смешивании, транспортировании и в процессе наплавки. Сегрегация приводит к неравномерности структуры покрытия, пористости,
снижению прочности и, в конечном счете к ухудшению эксплуатационных
характеристик [65].
Следующим этапом развития стало создание объемнолегированных порошков. Большинство известных самофлюсующихся порошков являются объемно-легированными. Как наиболее перспективный
оценивается сплав ПР-Х4Г2Р4С2Ф, выпускаемый НПО «Тулачермет».
Большинство сплавов имеют относительно низкую температуру плавления
и высокую твердость наплавленного слоя. Покрытия хорошо работают в
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
условиях абразивного изнашивания. Этим материалам присущ недостаток
литых железо-бор-углеродистых сплавов – низкая устойчивость к ударным
нагрузкам.
Создание новых износостойких материалов на основе недорогих
компонентов, с помощью которых сплав упрочняется нетрадиционными
карбидными фазами, а, например, боридами, перспективно и обеспечивает
повышенную износостойкость деталей и снижение стоимости.
2.3 Современные способы и средства для испытания рабочих
органов почвообрабатывающих машин на абразивную износостойкость
Для определения физико-механических свойств покрытия в зависимости от свойства почвы и компонентов порошков требуется проведение
значительного количества экспериментов. Для проведения этих экспериментов необходимо выбрать оптимальную экспериментальную установку.
Чтобы правильно выбрать экспериментальную установку, необходимо
изучить методы испытаний металлов на абразивный износ.
Основные методы испытаний металлов на абразивный износ в зависимости от характера взаимодействия абразивных частиц с металлом можно классифицировать следующим образом (рис. 2.14).
Наиболее широкое распространение получил метод испытаний металлов на абразивный износ при скольжении в жидкой или сыпучей абразивной среде. Для этих испытаний использовалась машина Я. Амслера [90]
в которой используются пары трения диск–диск и диск–колодка.
Машина трения МИ-1М, как и машина Я. Амслера, а также машина Д. Арчарда служат для испытания на износ различных материалов пар
трения и являются аналогичными по конструкции. Возможны испытания
образцов разной формы. Основной недостаток такой машины заключается в низкой степени приближений условий испытаний образцов к условиям
эксплуатации.
Ю. М. Петров [217] проводил исследование износостойкости покрытий на испытательной машине СМЦ-2, которая является модифицированной машиной Я. Амслера.
Известен также метод [219], при котором изучается взаимодействие
металла с закрепленными частицами абразива. В качестве абразивного материала могут быть использованы круги. Однако опыты показывают, что
применение данного метода не дает надежных результатов.
Большие возможности для повышения точности эксперимента открываются при использовании вместо кругов абразивной шкурки. Исследования износа металлов при трении о шкурку, натянутую на обычный
диск, были проведены Ш. Робином еще в 1910 г. Цилиндрический образец
диаметром 15 мм прижимался к диску грузом. Для каждого опыта использовалась одна шкурка. Однако и в данном случае образец двигался по од70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ному следу около 200 м, что вызывало довольно большую ошибку измерений (до 15 %).
Рисунок 2.14 – Методы испытаний металлов на абразивный износ
Метод испытаний материалов с использованием абразивной шкурки был значительно улучшен В. Тонном. В его опытах наряду с вращением
диска осуществлялась радиальная подача образца, в результате чего след
трения располагался по спирали. К. Веллингер и Г. Уэтц [234] исследовали
износ металлов при возвратно-поступательном движении образца по
шкурке. Стол с натянутой на него абразивной шкуркой имел поперечное
перемещение с постоянной малой скоростью.
Метод испытаний К. Веллингера и Г. Уэтца имеет существенное
преимущество перед методом В. Робина, так как при движении образца по
новому участку шкурки резко уменьшается погрешность эксперимента.
Однако эти исследователи не сумели использовать всех возможностей данного метода.
Предложенный М. М. Хрущовым [289, 291] лабораторный метод
испытания на машине Х4-Б (машина Х4-Б разработана в Институте машиноведения) позволил воспроизвести процесс износа при трении о наждачное полотно. Цилиндрический образец диаметром 2 мм и длиной 15–20 мм
при вращении диска с натянутой шкуркой получает радиальное перемеще71
по методу М.М. Хрущева
по методу Б.И. Костецкого
Испытание закрепленным
абразивом
при трении о шлифовальный круг
при скольжении в абразивной среде
Испытания
абразивной
прослойкой
по способу Жернова
по методу Бринелля
по методу ВИСХОМа (на установке
типа «вращающаяся чаша»)
Испытания полузакрепленным абразивом
при резании брикета почвы
при движении сухого абразива
при движении абразивной жидкости
Испытания
абразивной
струей
в стакане с абразивом
Испытания
свободным
абразивом
при шаровой мельнице
Методы испытаний металлов на абразивный износ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ние, которое за один оборот диска составляет 1 мм. Путь трения образца
по диску представляет собой спираль Архимеда. Таким образом, трение
образца металла происходит практически все время по свежему участку
шкурки при малой поверхности трения, малой скорости скольжения и интенсивном износе, исключающем влияние отражающей среды. Для учета
влияния качества шкурки на результаты износа в тех же условиях испытывали эталонный материал. Следовательно, влияние твердости абразивных
частиц в данном случае было также исключено.
Б. И. Костецким [230, 231] предложена машина КЕ-3 для исследования износа путем нанесения винтовых царапин на испытуемый цилиндрический образец диаметром 20 мм и длиной 100 мм.
Метод царапания плоских образцов индентором (конусным алмазным или из твердого сплава ВК6) применялся и другими исследователями
[168, 170, 178]. Однако отмеченные выше способы не воспроизводят в
полной мере условия абразивного износа рабочих органов сельскохозяйственных машин, поэтому могут быть использованы только для ориентировочной оценки износостойкости металлов.
Метод Ю. А. Бринелля, предложенный в 1921 г., используется с некоторыми изменениями рядом исследователей [262], имитирует процесс
износа при втирании в поверхность металла абразивных частиц. Износ
оценивают по размеру лунки. Основным недостатком метода является непостоянство поверхности трения, так как она в процессе опыта постепенно
увеличивается, что вызывает изменение удельного давления диска и увеличение числа абразивных зерен, воспринимающих нагрузку. Сравнительные испытания, проведенные М. А. Бабичевым [264] по схеме Бринелля и
на машине Х4-Б, показали, что в первом случае точность эксперимента
значительно ниже.
Вайс А. А. описана методика испытаний для определения износа
при трении образца о чугунный диск, на поверхность которого непрерывно
подаются частицы карборунда и вода [263]. Наряду с испытуемым образцом к диску прижимается эталон. Анализ результатов испытаний, выполненных по этому методу М. М. Хрущевым и М. А. Бабичевым [262], показал, что общие закономерности износа в данном случае такие же, как и при
испытании на машине Х4-Б, но точность экспериментов ниже.
И. В. Южаковым [262] и З. В. Дьяконовой [264] предложена методика исследования износа образца металла при резании почвы. Сущность
этой методики заключается в следующем. На обычном копре изготавливают брикет почвы определенного состава и заданной твердости и закрепляют его на установке или прямо на сверлильном станке. Образцы, укрепленные на оправке, занимают в патроне станка. Процесс испытания заключается в резании брикета почвы при круговом вращательном движении образцов. Но такой методикой можно пользоваться лишь для проведения
кратковременных сравнительных испытаний образцов, так как ограниченная высота брикета не обеспечивает непрерывности процесса.
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для проведения длительных испытаний образцов во Всесоюзном
научно-исследовательском институте сельскохозяйственного машиностроения (ВИСХОМе) была создана экспериментальная установка типа
«вращающаяся чаша» [262, 264].
Установка состоит из литой чаши диаметром 1,2 м , которую перед
испытанием заполняют абразивный массой (почвой). Образцы, изготовленные из листовой стали и заточенные подобно рабочему органу почвообрабатывающей машины, закрепляют на станине так, чтобы при работе
один из них был погружен в абразивную массу на определенную глубину.
Чаша с абразивной массой вращается, при этом образец оказывается под
воздействием непрерывно перемещающихся абразивных частиц. Для уплотнения абразивной массы в чаше установлены массивные катки [262].
А. Н. Шитов [302] усовершенствовал метод типа «вращающаяся
чаша» с одновременным расширением диапазона возможностей. Усовершенствованная конструкция позволяет одновременно испытывать несколько образцов. В данном случае автор испытывал упрочненный и неупрочненный образец, что позволило сравнить процесс при одинаковых
условиях. Установка типа «вращающаяся чаша» позволяет проводить испытания в условиях, близких к реальным, при обработке почвы рабочими
органами. Однако этот метод, успешно примененный для сравнительных
испытаний образцов, не может быть использован без специальной проверки для изучения механизма износа, когда точность измерений и сопоставимость результатов имеют первостепенное значение.
Сотрудниками института машиноведения АН СССР А. В. Чичинадзе и Э. Д. Брауном разработана методика испытаний металлов при трении
об абразив на упругом основании. Данная методика представляет интерес
и в ряде случаев может быть использована для изучения износа материалов в лабораторных условиях [267].
В.И. Пындак [217] предложил установку для испытания на износ
материала рабочих органов почвообрабатывающей машины, принцип работы которой заключается в возвратно-поступательном движении образца
по имитатору почвы. Недостатком данного метода являются недостаточно
широкие функциональные возможности и, в частности, невозможность одновременных сравнительных испытаний ряда разнородных образцов с
имитацией рабочей среды.
Перечисленные выше методы исследования абразивного износа
имеют, как правило, частный характер и имитируют какие-то определенные условия взаимодействия металла с абразивной средой и не позволяют
изучить целый ряд важных факторов, оказывающих влияние на износостойкость и самозатачивание рабочих органов почвообрабатывающих машин.
Поэтому для проведения лабораторных исследований износостойкости различных типов рабочих органов почвообрабатывающих машин
необходимо разработать экспериментальную установку, которая позволит
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
смоделировать разнообразие условий взаимодействия металла с абразивной средой, характерные для условий реальной эксплуатации.
2.4 Анализ теоретических исследований, направленных на
расчет сил сопротивления почвообрабатывающих орудий и их рабочих органов
Большой вклад в теоретическое изучение взаимодействия рабочих
органов машин для обработки почвы с грунтом внесли ученые В. П. Горячкин [63], А. Н. Зеленин [91], В. А. Лаврухин [137], В. Н. Винокуров
[48], И. М. Панов [202], И. В. Крагельский [120], Г. Н. Синеоков [252], В.
А. Богомягких [25], С. А. Сидоров [247], М. М. Севернев [242], Н. Е. Резник [234] и др.
Одной из основных теоретических зависимостей, определяющих
величины нагрузки на почвообрабатывающие орудия и их рабочие органы,
является «рациональная формула» академика В. П. Горячкина [63].
 =  ∙  +  ∙  ∙  +  ∙  ∙  ∙ 2
(2.2)
где  ∙  – сопротивление перемещению плуга;
 ∙  ∙  – сопротивление резанью;
 ∙  ∙  ∙  2 – инерционное сопротивление отбрасываемого пласта;
 – приведенная масса плуга, кг;
 – затраты на протаскивание веса;
а и b – соответственно глубина обработки и ширина захвата, м;
 – коэффициент динамического сопротивления;
V – скорость, м/с.
В своих работах А. Н. Зеленин [91], А. Д. Далин [91] и С. А. Сидоров [247] указывают на некоторую ограниченность этой формулы.
Наиболее глубокое и тщательное исследование деформации и сопротивления почвы при работе клина провел Г. Н. Синеоков [252, 253]. В
отличие от классической теории клина В. П. Горячкина [63], Г. Н. Синеоков [253] в общее усилие резания дополнительно ввел динамическое давление почвы на рабочую поверхность клина, обусловленную инерцией
пласта, а также нашел условие, обеспечивающее отсутствие сгруживания
почвы, и определил зависимости КПД клиньев от их параметров.
Общая сила тяги двугранного клина, движущегося поступательно с
постоянной скоростью по идеальным направляющим, будет равна
 = 3 +  +  +  ,
(2.3)
При наличии затылочной фаски на лезвии Г. Н. Синеоковым получены следующие зависимости для составляющих силы RЗ
З = 0,52 х( ∙ З + 1);
(2.4)
З = 0,52 х(З − ),
74
(2.5)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где q – коэффициент объемного смятия почвы, Н/м 3; h – высота затылочной фаски, м; х – длина лезвия, м; 3 – угол наклона затылочной фаски к дну борозды.
Из уравнения (2.3) следует, что на величину силы RЗZ, стремящейся
вытолкнуть клин (лемех, плуг, культиватор и т. п.) из почвы, наибольшее
влияние оказывает высота затылочной фаски h [252].
Для определения усилия сопротивления почвы С. А. Сидоров [247]
предлагает разделить реакцию почвы условно на две главные составляющие:
1) реакция на передней части рабочего органа;
2) реакция на задней части лезвия (главным образом реакция на
лезвие).
Реакция почвы на задней части лезвия рассчитывалось по зависимости
 = 0 ∙  ∙ sin  +  ,
(2.6)
где 0 − удельное сопротивление почвы;
 − площадь поперечного сечения, погруженной на глубину «а»
части рабочего органа;
 – угол атаки;
 − динамическая составляющая нагрузки.
Усилие сопротивления на заднюю часть лезвия почворежущего рабочего органа определялось по обшей зависимости:
Л = Л ∙ эф ∙ эф ∙  ∙ 0 ∙ 2 ∙  ∙  ,
(2.7)
где Л − коэффициент удельного сопротивления поверхности лезвия, МПа;
эф − эффективная длина лезвия, м;
эф − эффективная толщина лезвия, м;
 − коэффициент, учитывающий дополнительное сгруживание;
0 − коэффициент, учитывающий различие величины усилия, действующего на носовую часть и собственно лемех;
2 − коэффициент, учитывающий перекрытие рабочих органов,
идущих либо в батареи, либо во втором ряду, с некоторым перекрытием;
 − важный коэффициент, учитывающий рост сопротивления
почвы на воздействие лезвия, при уменьшении угла зазора (заднего угла
резанья);
 − коэффициент, учитывающий эффект налипания почвы на
лезвие при увеличении влажности почвы; при обычных условиях (W ≤18–
19%)  =1.
М. М. Севернев [242] определял интенсивность изнашивания деталей под действием нормального давления и сдвигающего усилия почвы
функцией следующих переменных по выражению:
 G = f (Р, L, S, m, Т),
75
(2.8)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Р – давление почвы, Па;
L – путь трения, м;
S – площадь трения, м2;
m – показатель изнашивающей способности почвы;
Т – твердость поверхности детали, (НRC).
Анализ теоретических исследований показал, что существует множество моделей расчета нагрузок сил, действующих на рабочий орган, однако в них не достаточно полно учитывают влияние затылочной фаски на
общее сопротивление.
2.5 Теоретические предпосылки повышения долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин
Для разработки рекомендаций по совершенствованию технологического процесса (ТП) вспашки за счет создания требуемых свойств рабочих
поверхностей деталей машин (РПДМ) воспользуемся методикой, предложенной А. Т. Лебедевым [159]. В соответствии с этой методикой плуг для
основной обработки почвы представлен как самостоятельная сложная техническая система, и для него разработана иерархическая схема, изображенная на рисунке 2.15.
Техническая система
ПЛУГ
Подсистема
Рама с механизмом
навески
Опорное колесо
с механизмом заглубления
Корпус
Деталь
Полевая доска
Стойка корпуса
Лемех
Отвал
Рабочая поверхность
Лезвие
Носовая часть
Рисунок 2.15 – Иерархическая схема плуга
76
Пятка
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Согласно этой схеме плуг состоит из таких подсистем как, рама с
механизмом навески, корпус, опорное колесо с механизмом заглубления,
составными частями которых выступают узлы и детали в виде полевой
доски, стойки корпуса, лемеха и отвала. Низшими элементами иерархической схемы плуга являются рабочие поверхности этих деталей. Согласно
общей классификации ключевых процессов [159] данные рабочие поверхности деталей плуга обеспечивают разделение почвы и ее транспортировку, поэтому они относятся к рабочим поверхностям, контактирующим с
материалом.
Основное давление при взаимодействии плуга с пахотным слоем приходится на корпус плуга [63]. Эксплуатация корпуса плуга осуществляется в
условиях постоянного абразивного и ударно-абразивного изнашивания.
В процессе работы 70–80 % неисправностей приходится на износ деталей
корпуса [242], поэтому на иерархической схеме не рассмотрены остальные
детали подсистем. Из основных деталей корпуса в процессе работы быстрей
изнашивается лемех, потому что при взаимодействии корпуса с пахотным
слоем основное сопротивление приходится на них. Рабочими поверхностями лемеха являются (рис. 2.16): рабочая поверхность лезвия, рабочая поверхность носовой части и рабочая поверхность пятки. В процессе взаимодействия лемеха с пахотным слоем его рабочие поверхности изнашиваются
неодинаково.
Рисунок 2.16 – Рабочие поверхности лемеха: 1– рабочая поверхность носовой части;
2 – рабочая поверхность лезвия; 3 – рабочая поверхность пятки.
Тогда выше перечисленные рабочие поверхности деталей лемеха,
контактирующие с материалом, для обеспечения стабильности и надежности реализации технологического процесса вспашки должны иметь постоянные геометрические параметры. Это и есть целевое назначение рабочих
поверхностей деталей лемеха.
Рабочие поверхности остальных деталей корпуса также оказывают
влияние на работоспособность плуга, но не так значительно.
После установления целевого назначения РПД лемеха, согласно
обобщенной методике, необходимо установить все факторы, влияющие на
оптимальную работоспособность, и определить функцию наивыгоднейшего решения для повышения эффективности технологического процесса
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вспашки. Для этого рассмотрим более подробно работу основных рабочих
поверхностей лемеха.
2.6 Общая теоретическая модель повышения ресурса плужного
лемеха
Для разработки способов повышения ресурса плужного лемеха
рассмотрим жизненный цикл существующих серийных плужных лемехов.
Изменение толщины режущей кромки до достижения его предельного значения представим графически в виде кривой 1 (рис. 2.17).
Рисунок 2.17 – Схема для серийного и предлагаемого жизненного цикла плужного лемеха
В начальный период времени b1 происходит приработка рабочих
поверхностей, характеризующаяся интенсивным износом. Однако после
этого периода процесс замедляется и начинается нормальная работа с постоянной интенсивностью изнашивания γ в течение времени b2, пока толщина режущей кромки не превысит предельно допустимого значения апр.
Период b3 характеризует работу с затупленным лезвием.
Достижение этой предельной величины можно рассматривать как
отказ лемеха потому, что в этот период значительно увеличивается сопротивление, а дальнейшая эксплуатация приводит к увеличению расхода топлива, значительному уплотнению плужной подошвы и снижению надежности процесса вспашки. Таким образом, период времени b2 можно рассматривать как основной этап жизненного цикла плужного лемеха, после
завершения которого необходимо его заменить.
Тогда, принимая для рабочей поверхности лезвия скорость изнашивания постоянной, ресурс серийного лемеха можно выразить следующей
формулой:
Л = 1 + 2 + 3 ,
где 1 – период приработки серийного плужного лемеха;
2 – период нормальной работы серийного плужного лемеха;
78
(2.9)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3 – период работы с затупленным лезвием серийного плужного лемеха.
Анализ составляющих жизненного цикла лемеха показывает, что
определяющим периодом является период 2 . Тогда повышение срока
службы лемеха возможно за счет увеличения этого периода и исключения
из жизненного цикла периода 3 .
В этом случае ресурс предлагаемого плужного лемеха можно представить в следующем виде:
′ пл = 1′ + 2′ ,
(2.10)
где b’1 – период приработки предлагаемого лемеха; b’2 – период нормальной работы предлагаемого лемеха.
Идеальным вариантом повышения эффективности работы предлагаемого лемеха можно считать увеличение одного нормального периода
эксплуатации до срока службы трех серийных лемехов. Такое развитие
процесса состояния рабочих поверхностей лемеха описывается кривой 2 на
рисунке 2.3.
Как было показано выше, срок службы серийного лемеха определяется средней скоростью изнашивания рабочей поверхности лезвия. Тогда
для реализации предлагаемого способа повышения эффективности работы
предлагаемого лемеха необходимо обеспечить скорость изнашивания рабочих поверхностей лемеха в 3 раза меньше, чем у серийного лемеха.
Проанализировав ранее проведенные исследования [25, 28, 42–49, 63,
77–82, 90-93, 135, 137-142, 169-178, 191-197, 202, 203, 228-232, 302] можно
представить скорость изнашивания рабочих поверхностей лемеха в функции четырех обобщенных комплексов следующим выражением:
 = ƒ(А, Б, С, Д).
(2.11)
Скорость изнашивания определяется комплексами конструктивных и
технологических параметров рабочего органа (А), физико-механических
свойств среды (Б), физико-механических свойств материала и упрочненного слоя (С) и условиями нагружения (Д).
Каждый из перечисленных выше факторов можно оценить в количественной форме с помощью нескольких показателей. Представим зависимость скорости изнашивания от определенных факторов в аналитической
форме в развернутом виде
 = ƒ x, y, z, δ, β, α , υ, Е, Т , р , Гв Тп , Сп, Вп Тосн , Тн рн, рв ,
А
Б
79
С
Д
(2.12)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где x, y, z – основные линейные размеры лемеха, м;
δ – острота лезвия, м;
β – угол заточки лезвия;
α – угол установки лемеха;
υ – скорость движения, м/с;
Е – модуль упругости, МПа;
kТ – коэффициент трения материала о лезвие;
р – разрушающее контактное напряжение на кромке лезвия;
Гв– глубина вспашки, м;
Тп– твердость почвы;
Вп – влажность почвы;
Сп – состав почвы;
Тосн– твердость основного материала лезвия, HRC;
Тн– твердость наплавленного материала лезвия, HRC;
рн и рв - соответственно, давление на лезвие снизу и сверху, кгс/м 3.
Общее количество факторов, оказывающих влияние на скорость изнашивания лемеха, около двадцати (рис. 2.18). Однако при износе лемеха
изменяются и оказывают решающее влияние на скорость изнашивания не
все факторы. На основании анализа работ [25, 28, 42–49, 63, 77–82, 90-93,
135, 137-142, 169-178, 191-197, 202, 203, 228-232, 302] и выше изложенного можно сделать вывод о том, что применительно к плугам для основной
обработки почвы основными параметрами, влияющими на скорость изнашивания рабочей поверхности лезвия, являются:
– свойства материала, из которого изготовлен плужный лемех (T);
– степень изменения скорости и давления на рабочую поверхность
лезвия (υ и Р);
– свойства почвы (Са).
Остальные факторы можно представить в виде коэффициента kF, тогда в общем виде скорость изнашивания рабочей поверхности можно
представить зависимостью
 =   , Р, , T, 
(2.13)
Другие факторы, влияющие на скорость изнашивания, например
влажность, коэффициент трения, основные линейные размеры лемеха и
глубина обработки, можно считать второстепенными, так как их влияние
может быть выражено через действия главных факторов, или принять неизменными. Для изучения факторов и определения влияния их на скорость
изнашивания необходимо провести эксперимент.
Производительность МТА зависит от многих факторов и условий, и в
первую очередь от энергоемкости процесса. Главным же показателем
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
энергоемкости процесса является тяговое сопротивление агрегатируемой сельскохозяйственной машины или орудия [118].
Конструктивные и технологические параметры
Разрушающее контактное
напряжение на кромке лезвия
Основные линейные
размеры лемеха
Коэффициент трения материала о лезвие
Угол установки лемеха
Угол заточки лезвия
Глубина вспашки
Скорость движения
Острота лезвия
ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ
ИЗНАШИВАНИЯ ПЛУЖНОГО ЛЕМЕХА
Твердость основного материала лезвия
Влажность почвы
Твердость почвы
Твердость наплавленного
материала лезвия
Состав почвы
Давление на лезвие
в вертикальной плоскости
Давление на лезвие
в горизонтальной плоскости
Условия нагружения
Физико-механические
свойства среды
Физико-механические свойства
материала и упрочненного слоя
Рисунок 2.18 – Схема факторов, влияющих на скорость изнашивания плужного лемеха
Как было сказано выше, основное сопротивление в процессе вспашки приходится на плужный лемех, а именно на рабочую поверхность носовой части и лезвия. В процессе работы в соответствии с моделями ресурса
(рис. 2.19) лемех изнашивается с той или иной скоростью, а его лезвия затупляются.
Для определения общего сопротивления лемеха при затупленном
лезвии использовали теоретический подход Г. Н. Синеокова [183]. В об81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щем случае, по мнению Г. Н. Синеокова, общее сопротивление, преодолеваемое клином, можно подразделить на четыре вида: сопротивление почвы
внедрению лезвия, сопротивление почвы деформации, преодоление силы
тяжести и силы инерции пласта (рис. 2.19).
Рисунок 2.19 – Схема сил, действующих на двугранный клин (по Г. Н. Синеокову)
Общая сила тяги двугранного клина, движущегося поступательно с
постоянной скоростью по идеальным направляющим, будет равна
 = З +  +  +  .
(2.14)
При наличии затылочной фаски на лезвии Г.Н. Синеоковым получены следующие зависимости для составляющих силы RЗ:
З = 0,52 х( ∙ З + 1).
(2.15)
З = 0,52 х(З − ).
(2.16)
где q – коэффициент объемного смятия почвы, Н/м 3;
h – высота затылочной фаски, м;
х – длина лезвия, м;
3 – угол наклона затылочной фаски к дну борозды.
Сила тяжести пласта, воспринимаемая клином, может быть определена по зависимости:
GХ = hв ху   +  ,
82
(2.17)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где hв – глубина хода, м;
у – ширина клина, м;
 – объемный вес почвы, кгс/м3.
Динамическую составляющую силы сопротивления можно рассматривать как суммарную силу соударения частиц почвы о плоскость клина,
тогда ее величину находим по теореме изменения количества движения:
Х =
 в х

 2   +  ,
(2.18)
где  – скорость движения агрегата, м/с.
Сила FХ, приложенная к рабочей поверхности клина и уравновешивается реакцией силы  , отклоненной на угол  от нормали к поверхности
клина и подпорам Q почвы, находящейся перед клином.
Горизонтальная составляющая сопротивления деформации пропорциональна поперечному сечению пласта.
 =  хв,
(2.19)
где  – коэффициент, учитывающий свойства почвы, а также геометрию
клина H/м2.
Подставив значения составляющих, получим зависимость силы тяги
клина в развернутом виде
 = 0,5 2 х  ∙ З + 1 +  вх + в ху   +  +
+
вх

 2   +  , (2.20)
Из уравнений 2. 20 следует, что на величину силы RЗХ, стремящиеся вытолкнуть клин из почвы, наибольшее влияние оказывает высота затылочной фаски h [252].
По нашему мнению, наибольшее влияние оказывает не высота hзат, а
ширина затылочной фаски зат .
зат = зат ∙ х,
(2.21)
где зат − ширина затылочной фаски (рис 2.7), м;
Выполняя замену и преобразования в уравнении (2.21), силу тяги
двугранного клина можно представить зависимостью:
 = 0,5зат  ∙ З + 1 +  в х + в ху   +  +

 в х

 2   +
(2.22)
В ходе взаимодействия плужного лемеха с почвой происходит износ режущей кромки. Исходное состояние лезвия лемеха характеризуется
точкой О (рис. 2.20). Во время работы происходит износ режущей кромки
с интенсивностью γ, который приводит к изменению формы лемеха по ли83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ниям АВ, А1В1...АnВn и появлению затылочной фаски. По данным А. Н.
Зеленина и С. А. Сидорова, перед лемехом образуется уплотненное ядро,
которое движется перед лезвием. Вначале диаметр уплотненного ядра близок к ширине лезвия (рис. 2.21), затем оно увеличивается. В процессе движения лемеха уплотненное ядро сходит с кромки и перемещается вниз или
вверх относительно режущей кромки лезвия или разрушается под действием сил трения и нормального давления.
Характерной особенностью резанья с образованием уплотненного
ядра является то, что, располагаясь впереди режущей кромки, уплотненное
ядро само раздвигает почву и тем самым увеличивает сопротивление резанья, т. к. коэффициент трения почва об почву практически в два раза
больше, чем почвы об стальную поверхность (0,8…1,2 против 0,4…0,6
[253]). Этим можно
объяснить рост тягового сопротивления при работе затупленным лемехом
и неравномерность хода по глубине.
Ширина затылочной фаски оказывает влияние на все составляющие
общего сопротивления и качество обработки. По нашему мнению существует критическое значение затылочной фаски кр , при достижении которого дальнейшая эксплуатация приводит к увеличению тягового сопротивления, расхода топлива и снижению качества вспашки (рис. 2.20). Тогда
условно работу лемеха можно разделить на два этапа. На первом этапе, когда зат ≤ кр работа характеризуется нормальным показателем надежности процесса вспашки Нд , усредненным показателем тягового сопротивления ср, средним расходом топлива ср для данного типа почв и состава агрегата. Показатель надежности Нд по соотношению фактической глубины
обработки ф к заданной з определяется выражением:
Нд =
ф
(2.23)
з
Эксплуатация лемехов после достижения критического состояния,
когда
зат > кр ,
характеризуется
повышением
тягового
сопротивления ∆, связанного с увеличением ширины затылочной фаски,
дополнительным расходом топлива, связанным с увеличением
неравномерности хода лемеха по глубине.
Работа лемехов на втором этапе приводит к снижению надежности
процесса вспашки, которое определяется выражением
Нд = 1 − (в ),
(2.24)
где (в ) - интегральная функция распределения глубины вспашки.
Определение величины затылочной фаски и ее влияние на остальные
составляющие тягового сопротивления имеет сложный характер, и его
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
трудно описать теоретически, поэтому необходимо определить его с помощью экспериментов.
Рисунок 2.20 – Схема работы лемеха
Тогда ресурс лемеха до достижения предельного состояния по величине затылочной фаски можно определить по выражению:
 −
л = кр 0
(2.25)

В результате работы лемеха с затылочной фаской увеличивается неравномерность хода по глубине и тяговое сопротивление. При увеличении
глубины обработки на 1 см сопротивление в среднем увеличивается на
5…12% [191]. Рост затылочной фаски приводит к увеличению зоны деформации (рис. 2.21). Увеличение зоны деформации прямо пропорционально росту площади затылочной фаски.
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.21 – Гипотетическая схема воздействия лезвия лемеха на почву: а – острое
лезвие; б – затупленное с затылочной фаской
Затупление режущей кромки плужных лемехов – неизбежный процесс, сопутствующий эксплуатации почвообрабатывающих машин. Поэтому необходимо установить предельное значение затылочной фаски.
Предельное значение затылочной фаски можно контролировать с помощью шаблона.
Косвенно затылочную фаску можно контролировать и в зависимости
от расхода топлива. С помощью системы GPS мониторинг транспорта
можно установить предельное значение расхода топлива, после достижения которого необходимо сменить лемеха.
2.7 Технико-экономическая модель сравнительной оценки плужных лемехов
Плужные лемеха, выпускаемые современными фирмами, в эксплуатации показывают различную выработку до замены, но при этом имеют разную отпускную цену. Некоторые дилерские фирмы и фирмы производители
оправдывают высокую отпускную цену достаточно большим прогнозируемым ресурсом. С другой стороны, производители более дешевых рабочих
органов почвообрабатывающих машин уверяют о несомненной эффективности своей продукции, хотя они имеют меньшую выработку до их замены.
Выбор рабочих органов только по их ресурсу не позволяет достоверно определить эффективность этих рабочих органов. Поэтому для сравнительной
оценки эффективности различных видов плужных лемехов используем подход, рассмотренный в работах [135, 137-142, 169-178, 191-197, 202, 203].
Обязательным условием достоверной оценки плужных лемехов различных фирм производителей выступает надежность реализуемого технологического процесса вспашки с показателем не менее 0,96 во всех сравниваемых вариантах. В качестве основного критерия за показатель надежности процесса вспашки может быть принято соответствие фактической
глубины обработки заданной.
Другими условиями объективного анализа сравниваемых вариантов
лемехов является то, что вспашка производится на одинаковых типах почв,
одинаковыми агрегатами, одним и тем же квалифицированным механизатором.
Сравнительную оценку плужных лемехов проводим с помощью
технико-экономического показателя (ЭЛ ), который представляет собой отношение общих затрат (ЗОБЩ ) на выполнение заданного объема работ ()
и определяется по формуле
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЭЛ =
ЗОБЩ

(2.26)
Рисунок 2.22 – Модель выполнения заданного объема вспашки и общих затрат
плужного лемеха
Общие затраты для выполнения заданного объема работ (рис. 2.22)
можно представить суммой затрат на оплату труда (ЗОТ ), израсходованные
топливо-смазочные материалы (ЗТ ), на приобретение и замену лемехов
(ЗЛ ) в виде выражения
ЗОБЩ = ЗОТ + ЗТ + ЗЛ .
(2.27)
Затраты на оплату труда можно определить как произведение средней тарифной ставки квалифицированного механизатора за вспашку 1 га
 (руб/га) на заданный объем работ по выражению
ЗОТ =  ∙ .
(2.26)
Затраты на израсходованные топливо-смазочные материалы можно
определить произведением расхода топлива выбранного агрегата р при
вспашке 1 га (кг/га) на стоимость 1 кг топлива СТ (руб/кг) и заданный объем работ из выражения
ЗТ = р ∙ СТ ∙ .
87
(2.27)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Затраты на приобретение и замену необходимого количества лемехов ПР при вспашке определяем их произведением на среднюю отпускную цену с учетом их доставки СЛ (руб) из выражения:
ЗЛ = СЛ ∙ ПР.
(2.28)
Потребность плужных лемехов определяли по формуле
Пр =

Л
,
(2.29)
где bЛ – средние значения ресурса лемеха, га.
Подставив формулы (2.26, 2.27, и 2.28) в формулу (2.29), получим:
ЗОБЩ =  ∙  + р ∙ СТ ∙  + Л ∙

ср
.
(2.30)
Проведя преобразование, окончательно получим выражение
1
ЗОБЩ =   + р ∙ СТ + Л ∙
ср
.
(2.32)
Как отмечалось выше, ресурс лемехов определяется интенсивностью изнашивания его рабочих поверхностей. При этом более износостойкие лемеха, как правило, имеют и большую стоимость из-за применения
дорогостоящих материалов и износостойких порошков. Установим условия эффективного применения разных вариантов лемехов.
Для выполнения заданного объема работ  (рис 2.23) в первом варианте применяем лемеха, средний ресурс которых составил Л 1 , при
средней отпускной цене СЛ1 . Для второго варианта средний ресурс лемеха
составил Л 2 , средняя отпускная цена СЛ2 .
Тогда общие затраты для сравниваемых плужных лемехов можно
определить по выражениям
ЗОБЩ1 =  1 + р1 ∙ СТ1 + Л1 ∙
ЗОБЩ2 =  2 + р2 ∙ СТ2 + Л2 ∙
1
1
1
2
,
(2.26)
.
(2.27)
При выполнении заданного объема вспашки  для одного и того же
типа почв стоимость оплаты труда рабочего  , средний расход топлива
р и стоимость топлива СТ в сравниваемых вариантах остаются постоянными. Тогда разность общих затрат З покажет эффективность одного варианта перед другим.
Проведя преобразование выражений (2.31 и 2.32), получим:
З =  ∙
88
Л2
2
−
Л1
1
.
(2.33)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для сравнительной оценки разных вариантов плужных лемехов
введем индекс ресурса  и индекс стоимости С , которые определяются
соотношениями:
 =
С =
2
1
Л2
Л1
,
(2.34)
.
(2.35)
Рисунок 2.23 – Модель выполнения заданного объема вспашки и общих затрат
сравниваемых плужных лемехов
Подставив выражение (2.34 и 2.35) в формулу (2.32), окончательно
получим:
З =  ∙
Л1  С
1
89
Р
−1 .
(2.36)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При З = 0 наступает равенство затрат в сравниваемых вариантах.
Это условие выполняется при равенстве индексов ресурса  и стоимости
С лемехов.
 = С .
(2.37)
На практике это означает, что кратность увеличения стоимости оправдана только лишь при пропорциональном увеличении ресурса для
сравниваемых вариантов лемехов.
Например, средний ресурс лемеха П-702 составит 7…10 га, его
средняя стоимость 250…300 руб/шт. По мнению производителя
«Рубцовский плуг», лемех является эффективным. Вместе с тем, если в
эксплуатации необходимы лемеха с более высоким ресурсом, например в
100 га, что соответствует индексу ресурса  = 10, то у производителей,
для обеспечения условия сохраняемости прежней эффективности лемеха
стоимость не должна превышать 3000 руб/шт, т. е. кратность увеличения
стоимости изделия должна соответствовать увеличению его производительности. На практике, к сожалению, это условие не выполняется.
В процессе вспашки большинство предприятий не производят своевременную замену лемехов, а эксплуатируют их после достижения предельного состояния. В результате этого ресурс лемеха увеличивается, но
появляются дополнительные затраты, связанные с увеличением сопротивления лезвия лемеха, которые приводят к увеличению расхода топлива и
снижению качества работы. Как отмечалось в разделе 2.3, увеличение сопротивления перемещения лемеха связано с появлением затылочной фаски.
Представим, как изменяется эффективность использования лемеха
после достижения его лезвия предельного значения затылочной фаски.
Как и в предыдущих случаях, выполнение заданного объема работ
 в первом варианте осуществляется лемехами, средний ресурс которых
составил 1 . Во втором варианте после достижения предельного значения
лемех эксплуатировался дальше, и его ресурс составит 2 = 1 + .
В случае увеличения среднего ресурса лемеха происходит уменьшение
общего количества лемехов для выполнения требуемого объема , что
является положительным моментом, который должен привести к снижению общих затрат за счет снижения затрат на приобретение лемехов. Но
работа осуществляется при затупленных лемехах (рис 2.21), поэтому появляются дополнительные затраты. Увеличение выработки единичного лемеха выше его предельного значения сопровождается:
– увеличением тягового сопротивления агрегата R2 по отношению
к R1 на величину  R: R2 =R1+ R, что приводит к пропорциональному
росту расхода топлива р2 = р1 + ∆;
– увеличение затылочной фаски затупленных лемехов приводит не
только к росту и значительным вариациям тягового сопротивления, но и к
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нарушению процесса по показателю соответствия глубины вспашки заданной, оцениваемый показателем надежности процесса Нв. Как было сказано
выше, функция надежности процесса представляет собой зависимость
Нв = 1 − (а), где (а) – интегральная функция распределения глубины
обработки в эксплуатации. При достижении лемеха предельного состояния, что соответствует его выработке 1 , функция (а) колеблется в пределах  а = 0 … 0,04. Тогда надежность процесса вспашки находится в
заданном диапазоне Нв = 1 … 0,96.
Снижение надежности процесса ниже допустимой должно быть учтено в модели либо затратами на выполнение дополнительного объема работ, связанного с некачественным выполнением основного объема работ,
либо потерей продукции, выращиваемой на этих площадях. На наш взгляд,
более правильно учесть эти дополнительные затраты на переделку некачественно выполненной работы З .
Тогда общие затраты, которые необходимо учесть в случае переработки лемехов сверх предельных значений и выполнения части работ затупленными лемехами, определятся выражением
ЗОБЩ2 = ЗОТ1 + ЗТ2 +ЗЛ2 + З ,
(2.38)
где З – затраты, связанные с нарушение надежности вспашки, руб.
Затраты на оплату труда остаются постоянными, а затраты на топливо с учетом выше изложенного определятся выражением:
ЗТ2 = ЗТ1 + ЗТ ,
(2.39)
где ЗТ – затраты, связанные с дополнительным расходом топлива, руб.
ЗТ = р1 +
1
2
∙ 1 ∙ СТ1 + ∆ ∙ ∆ ∙

2
∙ СТ1 ,
(2.40)
где ∆ – дополнительный расход топлива, кг/га;
∆ – дополнительная наработка лемеха, кг/га.
Для второго варианта лемех, который эксплуатировался дальше после достижения его предельного значения, ресурс можно определить
по выражению
2 = 1 +∆.
(2.41)
Тогда подставив выражение (2.37) в формулу (2.38)получим:
ЗТ = р1 +
1
1 +∆
∙ 1 ∙ СТ1 + ∆ ∙ ∆ ∙

1 +∆
∙ СТ1 .
(2.42)
Подставив выражение (2.44) в формулу (2.45) и проведя преобразование, получим выражение
∆ = (1 −  )1 .
91
(2.43)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С учетом выражения (2.39) получим
ЗТ =
1

 −1
+ р1 ∙  + ∆ ∙  ∙ СТ1 ∙

.
(2.44)
Затраты, связанные с увеличением ресурса можно определить по
выражени3
ЗЛ2 = Л1 ∙

1 +∆
.
(2.45)
Затраты, связанные с нарушением надежности процесса вспашки,
составят
З = ЗОТ + ЗТ + ЗЛ .
чим
(2.46)
Подставив выражение (2.43), (2.44) и (2.35) в формулу (2.44), полуЗ = 1 ∙  + р1 ∙ СТ1 ∙  + Л1 ∙

1
.
(2.47)
где ∆ – дополнительный объем работы, который необходимо выполнить
из-за нарушения надежности процесса (переделать некачественно выполненную ранее).
Проведя преобразование, получим выражение
З =  1 + р1 ∙ СТ1 + Л1 ∙
1
1
.
(2.48)
Дополнительный объем работы, связанный с нарушение надежности вспашки можно определить по выражению

 =
,
(2.49)
рв
где рв - показатель фактической результативности.
По рекомендациям [147] численное значение предлагаемого показателя фактической результативности можно определить по выражению
рв =
Нд
Нф
,
(2.50)
где Нд и Нф – надежность и ненадежность процесса вспашки, соответственно.
Использование показателя фактической результативности позволит
определить, сколько из выполненного объема работ соответствует агротребованиям и сколько выполнено с их нарушением.
З =

рв
1 + р1 ∙ СТ1 + Л1 ∙
С учетом выражения (2.51) получим:
92
1
1
(2.51)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.24 – Модели сравнительной оценки плужных лемехов
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
З =
ЗОБЩ1
(2.52)
рв
Подставив выражение (2.47), (2.48) и (2.52) в формулу (2.44), получим
ЗОБЩ2 = ЗОТ1 +
1

+ р1 ∙  + ∆ ∙  ∙ СТ1 ∙
 −1

+ Л1 ∙

  ∙1
+
ЗОБЩ1
рв
.
(2.53)
Общие затраты для первого варианта определяем по ранее полученному выражению (2.35).
Тогда разность общих затрат ЗД определится как
ЗД = р1 ∙  ∙ СТ1
1

− 1 + ∆ ∙  ∙ СТ1
  −1

+
Л1 ∙
1
+
ЗОБЩ1
рв
. (2.54)
Проведя преобразование, окончательно получим выражение:
ЗД = р1 ∙  ∙ СТ1
1− 

+
Л1 ∙
∙ 1
∙
1− 

+ ∆ ∙  ∙ СТ1 ∙
  −1

+
З ОБЩ1
рв
.
(2.55)
Таким образом, в процессе эксплуатации плужного лемеха и его
дальнейшей работы после достижения предельного состояния по площади
затылочной фаски лезвия хоть и уменьшают затраты на их приобретение и
замену, но за счет дополнительных затрат на топливо, которые появляются
при затуплении плужного лемеха, и снижения качества вспашки происходит значительное увеличение общих затрат. В качестве критерия оценки
предельного значения ресурса лемеха для практического применения может служить показатель увеличения часового расхода топлива, например
использованием спутниковых систем навигации и контроля расхода топлива.
2.8 Оценка свойств и структуры наплавленных слоев с различным содержанием легирующих элементов
Для определения оптимального количества бора и марганца в н аплавочном порошке совместно с Полоцким государственным университетом была изготовлена опытная партия упрочненных плужных лемехов
с различным содержанием легирующих элементов.
Для проведения металлографических исследований использовался
уникальный комплекс вспомогательного оборудования пробоподготовки,
лаборатории учебного научно-производственного центра «Восстановление
и упрочнение деталей машин» кафедры технического сервиса, стандартизации и метрологии СтГАУ.
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Используемое оборудование позволяет сократить время на изготовление шлифов до 3…3,5 часов.
Для исследования микроструктуры поверхности было взято 18 образцов по три образца каждого вида лемеха.
Из образцов лемехов с помощью отрезной машины Brillant 201(рис.
2.25, а) вырезали фрагменты (рис. 2.26, а) .
а
б
в
Рисунок 2. 15- Общий вид комплекса оборудования пробоподготовки: а - отрезная машина Brillant 201; б - металлографический пресс METAPRESS-M; в - шлифовально-полировальнго станка FORCIMAT 1M
Из нарезанных фрагментов с помощью металлографического пресса
METAPRESS-M (рис. 2.15, б) изготавливали образцы для шлифовки (рис.
2.16).
Полученные образцы устанавливали в шлифовально-полировальный
станок FORCIMAT 1M (рис. 2.25, в) и доводили до нормы абразивной
шкуркой 2000. Полирование проводилось на этом же станке, когда поверхность приобретала зеркальный вид и на ней не наблюдались риски при
просмотре на микроскопе.
а
б
Рисунок 2.26 - Общий вид: а – фрагмент лемеха; б - шлифы, изготовленные с
использованием комплекса оборудования пробоподготовки
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
После полированный микрошлиф промывали водой и просушивали
фильтровальной бумагой. Просушенные микрошлифы травили в реактиве
«Марбле» (20г CuSO4,100мл соляной кислоты, 100мл воды) в течение 5 секунд. После травления поверхность микрошлифа промывали в спирте и
просушивали фильтровальной бумагой. Если структура не выявлялась отчетливо, то микрошлиф травили дополнительно.
На микрошлифах с помощью металлографического микроскопа
Axiovert 40 MAT (рис. 2.27) изучали микроструктуру образцов по и фотографировали их. На основании рассмотренных фотографий определяли
изменение микроструктуры поверхности и глубину упрочненного слоя в
соответствии с ГОСТ 5639-82.
Рисунок 2.27 - Общий вид металлографического микроскопа Axiovert 40 MAT
Структуру полученных покрытий исследовали на инвертированном
металлографическом микроскопе Axiovert 40 MAT (Carl Zeiss, Германия).
Исследованиям подвергали поверхности покрытий и поперечные шлифы
при увеличении от 25 до 1000 раз. В комплект металлографического микроскопа входит программное обеспечение VESTRA Imaging System, которая позволяет определить пористость, величину зерна, микротвердость,
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
неметаллические включения и провести оценку сталей и чугунов на соответствие стандартам ГОСТ, DIN, ISO и ASTM.
Для оценки свойств нанесенных покрытий были проведены исследования микроструктуры наплавленных слоев.
Исследования микроструктуры полученных покрытий проводились
инвертированным металлографическим микроскопом Axiovert 40 MAT
(Carl Zeiss, Германия). Изучению подвергались поверхности покрытий и
поперечные шлифы при увеличении от 25 до 1000 раз.
Микроструктура наплавленного слоя из борированной стружки белого чугуна у поверхности является типично эвтектической (рис. 2.28).
а
б
в
Рисунок 2.28 – Микроструктура наплавленного слоя из чугунной стружки,
легированная бором: а - содержание бора 1,5 % массы; б - содержание бора 2,5 % массы; в - содержание бора 3,5 % массы (увеличение 500)
По мере приближения к подложке увеличивается количество дендритов мартенсита (с незначительным количеством остаточного аустенита).
При содержании бора в порошке до 3,5 % масс заэвтектических структур
после наплавки не образуется. Известно, что в системе Fe–C–B содержание бора, соответствующее эвтектике, равно 2,9 % массы [134]. Высокая
степень легирования чугуна хромом видимо сдвигает эвтектическое значение содержания бора в системе Fe–C–B–Cr в сторону увеличения концентрации бора. Содержание бора 3,5 % массы в чугуне такого состава недостаточно для образования избыточных боридов.
Легирование сплава марганцем (рис. 2.29) приводит к значительной аустенизации структуры наплавленного слоя. Не достигающая характерных для мартенсита значений микротвердость матричной фазы свидетельствует о преимущественно аустенитной составляющей. Образующаяся ледебуритная эвтектика также не отличается высокой микротвердостью, что подтверждает неполное протекание мартенситного превращения.
Образующиеся в незначительных количествах вторичные карбиды не оказывают значительного влияния на твердость сплава.
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
в
Рисунок 2.29 – Микроструктура наплавленного слоя из чугунной стружки, легированная
марганцем: а - содержание марганца 2 % массы; б - содержание марганца 4 % массы; в содержание марганца 6 % массы (увеличение 500)
Вероятно, карбидообразующее действие марганца не проявляется
из-за того, что практически весь углерод находится в связанном состоянии
в виде карбидов эвтектики.
Комплексное легирование сплава бором и марганцем (рис. 2.30)
приводит к получению заэвтектических структур. Более высокая скорость
охлаждения расплава приводит к несколько иной ориентации карбидных
включений (и фаз на их основе) в поверхностных слоях. Избыточные фазы
на карбидной основе (с определенным содержанием бора) в середине слоя
отличаются относительно большими размерами (до 30…50 мкм). Однако
укрупнение структурных составляющих вряд ли значительно повлияет на
износостойкость сплава, т. к. процесс изнашивания наплавленных слоев не
характеризуется интенсивными ударными нагрузками, при которых крупные карбиды растрескиваются и выкрашиваются.
а
б
в
Рисунок 2.30 – Микроструктура наплавленного слоя из чугунной стружки, легированная
борам и марганцем: а - содержание бора 1,5 % массы, марганца 6,0 % массы; б - содержание бора 2,5 % массы, марганца 4 % массы; в - содержание бора 3,5 % массы, марганца 2 % массы (увеличение 500)
Высокая микротвердость эвтектики свидетельствует о значительной
полноте мартенситного превращения и малом количестве остаточного аустенита. Повышение микротвердости матричной фазы сверх обычного
объясняется также и содержанием в эвтектике бора. Возможное присутствие бора в фазах карбидного типа (Fe,Cr)7C3 и (Fe,Cr)23C6 существенно не
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
влияет на уровень их микротвердости вследствие незначительной концентрации.
Измерение твердости производилось по методу Роквелла (ГОСТ 901359) на приборе HBRV-187,5 (рис.2.31).
Рисунок 2.31 - Общий вид твердомер HBRV-187,5
Измерение проводилось путем вдавливания в исследуемую
поверхность алмазного конуса при приложении обшей испытательной
нагрузки 1471кгс.
Замеры твердости образцов проводились по поверхности (рис. 2.32) и
по глубине (рис. 2.33). При замере твердости по глубине уколы
производили через 2 мм, а при замере твердости на поверхности и через 15
мм.
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.32 – Схема замера твердости на поверхности
Рисунок 2.33 – Схема замера твердости по глубине
Для исследования твердости упрочненных плужных лемехов с
различным содержанием легирующих элементов использовали прибор
HBRV-187,5. Измерение твердости производилось по методу Роквелла
(ГОСТ 9013-59). Результаты измерений твердости наплавленных слоев
различным содержанием легирующих элементов представлены на рисунках 2.34 и 2.35.
Рисунок 2.34 – Твердость наплавленных слоѐв c содержанием:
1 - B без Mn; 2 - Mn без B
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из графика видно, что увеличение содержания бора в чугунной
стружке приводит к повышению твердости слоев – это традиционное
влияние бора [171]. Увеличение содержания бора в чугунной стружке до
4 % приводит к увеличению твердости до 65 HRC, последующее увеличение содержания бора от 4 % до 8 % приводит к незначительному увеличению твердости. Легирование порошка бором от 4 - 8 % экономически
не оправдывает затраты, потому что стоимость порошка увеличивается, а
увеличение твердости незначительное.
Легирование наплавочного порошка марганцем до 3 % приводит к
увеличению твердости на 31 %. Дальнейшее легирование наплавочного
порошка марганцем от 3 % приводит к снижению твердости покрытий изза аустенизации структуры материала. Увеличение содержания марганца
для сплава на основе отходов чугуна приводит к повышению пластичности, что положительно сказывается на массовом износе.
Рисунок 2.35 – Твердость наплавленных слоѐв c содержанием B и Mn
Полученные данные свидетельствуют о том, что с увеличением
содержания бора с 2 до 6 % в наплавленном слое с содержанием B и Mn его
твердость увеличивается
Анализ средств для испытания рабочих органов почвообрабатывающих машин на абразивную износостойкость, проведенный в главе 1, позволил разработать лабораторную установку [170], которая моделирует
разнообразные варианты взаимодействия металла с абразивной средой, характерные для условий реальной эксплуатации (рис. 3.36). На данную установку получен патент на изобретение №2408865.
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Установка для испытаний на износ представляет собой стенд, в котором испытуемый образец 9 крепится в специальном устройстве с резьбовым зажимом 11. Этот зажим позволяет изменять угол наклона образца.
Абразивная масса, имитирующий почву 10 загружается в бункер 15, откуда она самотеком поступает в зону трения 10 образца. Для обеспечения
заданного давления на образец сверху и снизу прилагаются усилия с помощью набора грузов 7. Образец приводится в возвратно поступательное
движение от колебательного механизма 1 и имитирует движение рабочих
органов. С этой целью электродвигатель постоянного тока 3 передает
вращательное движение через клиноременную передачу 2 на колебательный механизм. В зависимости от частоты вращения электродвигателя с
помощью регулятора напряжения 4 изменяется линейная скорость движения образца. Регулятор напряжения позволяет изменять частоту вращения
электродвигателя в зависимости от напряжения. Общее сопротивление перемещения образца в абразивной массе передается от тензодатчика 12 через усилитель АЦП 6 и фиксируется на ЭВМ 5. Общий вид лабораторной
установки показан на рисунке 2.22.
1-возвратно-поступательный механизм; 2-ременная передача; 3-электродвигатель;
4-регулятор напряжения; 5- ЭВМ; 6- усилитель АЦП; 7- грузы; 8- узел нагружения; 9испытуемый образец;10- абразивный материал; 11- держатель;12- тензометрический
датчик; 13- крепление; 14- каретка горизонтального перемещения; 15- емкость.
Рисунок 2.36 – Схема лабораторной установки
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Форма образца выбрана с таким расчетом, чтобы при опытах
максимально приблизиться к реальным условиям взаимодействия металла
с абразивной массой (рис. 2.37).
Рисунок 2.37 – Лабораторная установка для стендовых испытаний
Скорость изнашивания конролируется весовым методом. Для этого,
перед проведением исследований, образец взвешивается на прецизионных
электронных весах
«ALC-1100d2» с точностью до 0,0001г (рис.
2.38). Их технические характеристики представлены в таблице 2.3.
Рисунок 2.37 – Общий вид образца и
Рисунок 2.38 − Электронные прецизи-
схема его параметров
онные весы марки ALC-1100d2
Таблица 2.3 – Техническая характеристика весов марки ALC-1100d2
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Модель НПВ, г
ALC1100d2
1100
Цена деления, Воспроизводи- Линейность в Диаметр весовой
г
мость, г
эксплуатации, г
чашки, мм
0,0001
0,0001
±0,0003
150
В качестве источника питания тензодатчиков усилия использовался
генератор сигналов АЦП-ЦАП, интерфейс которого представлен на рисунке 2.39, позволяющий генерировать напряжение 2,5±0,0001 В.
Рисунок 2.39 – Генератор сигналов АЦП-ЦАП
Измерение усилия, необходимого для перемещения образца, производилось с помощью тензозвена 1 (рис. 2.40) с наклеенным на него тензорезистором 2 из константовой проволоки сопротивлением 200 Ом (без деформации), установленное между кареткой горизонтального перемещения 5 и держателем образца 4 (рис. 2.41).
1 –держатель, 2 – тензозвено, 3 – тензорезистор , 4 – каретка горизонтального перемещения;
Рисунок 2.40 – Тензодатчик усилия и схема его установки
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
R2
Rн
Ux
U
R3
R4
U – напряжение питания; Ux – выходное напряжение моста; Rн – сопротивление тензорезистора; R1 и R2 –
Рисунок 2.41 – Общий вид установки тензо- сопротивления; R4 - переменное содатчика усилия
противление
Рисунок 2.42 – Схема неравновесного
моста включения тензорезисторного
преобразователя
Для снятия показаний с тензорезистора его включили в схему неравновесного моста (рис. 2.42).
В качестве R2 и R3 включали одинаковые сопротивления, равные сопротивлению тензодатчика без деформации. Переменное сопротивление
R4 служит для тарировки тензодатчика и выведения его на ноль. При отсутствии деформации их сопротивления равны: R2 = R3 и Rн = R4. В этом
случае, когда деформация тензорезистора отсутствует (є = 0), выходное
напряжение моста Ux = 0.
При деформации тензорезисторов, когда деформация тензорезистора
не равна нулю (є ≠ 0) и Rн ≠ R2, R3 и R4, выходное напряжение моста пропорционально разности сопротивлений:
Ux = U(Rн-R2)/2(Rн-R2).
(2.56)
Мостовая цепь является дифференциальной, следовательно, в ней
компенсируются аддитивные погрешности. Выходное напряжение моста
обычно не превышает 10 − 20 мВ, поэтому для дальнейшего преобразования используются усилители или аналогово-цифровые преобразователи.
Так как в нашем случае тензорезистор является постоянным преобразователем тензодатчика, то отклонение их чувствительности от номинального
значения учитывается при градуировке прибора, и результирующая погрешность прибора находится в пределах 0,2 − 0,5%.
Сигнал от тензодатчика усилия передавался по экранированным
проводам к АЦП.
Тарировка тензодатчика усилия производилась в следующем порядке: тензодатчик усилия одним концом жѐстко фиксировался, а на другой
конец создавалось усилие (в виде прикрепления грузов от 0 до 200 Н).
Значения грузов и показания вольтметра сопоставлялись, после чего запи105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Показания тензозвена, мкВ
сывались в таблицу настройки параметров измерителя (рис. 2.43), строился тарировочный график рисунок 2.44.
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
50
100
150
200
Нагрузка, Н
Рисунок 2.44 – Тарировочный
график тензодатчика усилия
Рисунок 2.43 – Тарировочная таблица в программе управления АЦП
(ZetPanel)
Для проведения лабораторных исследований на абразивную износостойкость, была использована разработанная нами экспериментальная
установка, которая позволяет смоделировать разнообразие условий взаимодействия металла с абразивной средой, характерное для условий реальной эксплуатации [172].
Рисунок 2.45 – Износостойкость наплавленных слоѐв c содержанием:
1- B без Mn; 2- Mn без B
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.46 – Износостойкость наплавленных слоѐв c содержанием B и Mn
Из наплавленных лемехов порошком с различным содержанием бора и марганца были изготовлены образцы для испытаний. Все образцы
проходили испытания при одинаковых условиях. Давление прижатия с оставило 0,1МПа, скорость относительного перемещения 2 м/с. Массовый
износ конролировался весовым методом. Для этого перед проведением
исследований образец взвешивается на прецизионных электроных весах
«ALC-1100d2», точность которых составляет 0,0001 г. Результаты испытаний наплавленных слоев различных составов представлены на рисунках
2.45 и 2.46.
Установлено, что с увеличением содержания бора с 2 до 6 % в наплавленном слое с содержанием B и Mn его абразивная износостойкость
снижается на 78 %. Это можно объяснить высокой хрупкостью боридов и
борсодержащих твердых включений и их выкрашиванием в процессе работы. Однако, присутствие бора в сплаве необходимо для обеспечения самофлюсуемости порошка на основе чугунной стружки в процессе наплавки. В зависимости от химического состава чугунной стружки необходимое
количество бора составляет 2 …4 %.
Таким образом, экспериментальным путем определены составы порошков с оптимальным содержанием бора и марганца для различных типов
почв. В зависимости от изнашивающей способности почв необходимо легировать чугунный порошок бором в пределах 2 - 4 % и марганцем 1 - 3 %, что
позволяет добиться наименьших затрат на единицу выполненного объема работы в производственных условиях.
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для изучения микроструктуры были выбраны шесть видов лемехов:
серийный трапецеидальный лемех производства «Светлоградагромаш»
(№ 1), лемех ПЛЖ-31702 «Рубцовск плуг» (№ 2), лемех производства
«Светлоградагромаш» наплавленный (№ 3), лемех производства «Светлоградагромаш» наплавленный порошком на основе чугунной стружки
(№ 4), лемех производства «Светлоградагромаш», упрочненный ручной
дуговой наплавкой порошком «Сормайт» (№ 5) и лемех фирменный
«VOGEL&NOOT» (№ 6).
Исследования микроструктуры покрытий образцов проводили инвертированным металлографическим микроскопом Axiovert 40 MAT (Carl
Zeiss, Германия). Исследованиям подвергались поверхности покрытий и
поперечные шлифы образцов при увеличении от 25 до 1000 раз.
Исследования микроструктуры серийного трапецеидального лемеха
производства «Светлоградагромаш» (рис. 2.47 а) показали, что основной
материал представляет собой феррит плюс перлит что, соответствует стали 45 в исходном состоянии. Микроструктура основного материала лемеха П-702 производства «Светлоградагромаш» наплавленного (рис. 3.47 а),
лемеха, упрочненного ручной дуговой наплавкой порошком «Сормайт»
(рис. 2.48 а) и лемеха производства «Светлоградагромаш», наплавленного
порошком на основе чугунной стружки (рис. 2.47 а), аналогична структуре, так как основой для всех лемехов является сталь 45. Исследования
микроструктуры лемеха фирмы «VOGEL&NOOT» (рис. 2.48 б) показали,
что материал основы имеет заэвтектическую структуру с карбидными
включениями.
б
Рисунок 2.47 –а Микроструктура: а - серийного трапецеидального
лемеха производства «Светлоградагромаш»; б - лемеха фирмы «VOGEL&NOOT»
(увеличение  500)
Исследования микроструктуры лемеха ПЛЖ-31702 «Рубцовск
плуг» (рис. 2.47 а) показали, что основной материал представляет собой
феррит плюс сорбированный перлит, что соответствует стали Л53 в исходном состоянии.
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
в
Рисунок 2.48 – Микроструктура лемеха ПЛЖ-31702 «Рубцовск плуг»: а - основной материал, увеличение  100; б - переход увеличение,  500; в - наплавленный слой,
увеличение  500
Микроструктура наплавленного слоя лемеха ПЛЖ-31702 «Рубцовск плуг» (рис. 2.48 б) представляет собой ледебурит с наличием цементитной составляющей и небольшим количеством включений карбида хрома.
а
б
в
Рисунок 2.49 – Микроструктура лемеха производства «Светлоградагромаш»
наплавленного: а - основной материал; б - переход; в - наплавленный слой
(увеличение  500)
Исследования микроструктуры лемеха П-702 производства «Светлоградагромаш» наплавленного (рис. 2.49) показали, что наплавленный
слой представляет собой ледебурит с наличием цементитной составляющей и небольшим количеством включений карбида хрома. Распределение
компонентов наплавленного слоя достаточно равномерное. Толщина наплавленного слоя составила в среднем 3 мм. Трещины и поры в структуре
наплавленного материала и в переходной зоне незначительны.
а
б
в
Рисунок
2.50 – Микроструктура лемеха
производства «Светлоградагромаш»,
наплавленного порошком на основе чугунной стружки: а - основной материал, (увеличение  500); б – переход, (увеличение 100); в - наплавленный слой, (увеличение 1000)
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Исследования микроструктуры лемеха П-702 производства «Светлоградагромаш», наплавленного порошком на основе чугунной стружки
(рис. 2.50), показали, что наплавленный слой имеет заэвтектическую
структуру с карбидными включениями. Распределение компонентов наплавленного слоя достаточно равномерное. Толщина наплавленного слоя
составила в среднем 3 мм. Трещины и поры в структуре наплавленного
материала и в переходной зоне незначительны.
Исследования микроструктуры лемеха производства «Светлоградагромаш», упрочненного ручной дуговой наплавкой порошком «Сормайт» (рис. 2.51), показали, что наплавленный слой имеет заэвтектическую структуру с большим количеством включений карбида хрома.
а
б
в
Рисунок 2.51 – Микроструктура лемеха производства «Светлоградагромаш»,
упрочненного ручной дуговой наплавкой порошком «Сормайт»: а - основной материал;
б - переход; в - наплавленный слой (увеличение  500)
Исследования микроструктуры основного материала и наплавленных покрытий образцов позволили определить, что трещины и поры в
структуре наплавленного материала и в переходной зоне незначительны.
Распределение компонентов наплавленных слоев достаточно равномерны.
Исследование твердости упрочненных плужных лемехов различными способами проводили на приборе HBRV-187,5. Измерение твердости производилось по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) по схеме, показанной на рисунке 2.32.
Для изучения твердости были выбраны те же шесть видов лемехов,
на которых были проведены исследования микроструктуры. Серийный
трапецеидальный лемех
производства «Светлоградагромаш», лемех
ПЛЖ-31702 «Рубцовск плуг» (№ 2), лемех производства «Светлоградагромаш» наплавленный (№ 3), лемех производства «Светлоградагромаш»,
наплавленный порошком на основе чугунной стружки (№ 4), лемех производства «Светлоградагромаш», упрочненный ручной дуговой наплавкой
порошком «Сормайт» (№ 5) и лемех фирменный «VOGEL&NOOT» (№
6). Измерения проводились в соответствии с методикой, указанной в подразделе 2.6. Результаты исследования твердости представлены на графике
2.52. Анализ исследований, посвященных надежности режущих инструментов [174], показал, что одним из параметров, влияющих на износостойкость лезвия, является его твердость. Поэтому колебание ее значений
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
будет оказывать влияние на равномерность его скорость изнашивания.
Это колебание было оценено статистическим показателем, среднеквадратическим отклонением твердости.
Твердость, HRC
40
35
30
HRCCP = 29,7
σ = 1,13
25
20
30
60
90
120 150 180 210 240 270 300 330 350
Расстояние между замерами, мм
Рисунок 2.52 – Распределение твердости основного материала серийного трапецеидального лемеха производства «Светлоградагромаш»
На графике 2.52 видно, что максимальное значение твердости составило 31,4 HRC, а минимальное – 27 HRC при среднем значении твердости
29,7 HRC. Среднеквадратическое отклонение твердости основного материала серийного трапецеидального лемеха производства «Светлоградагромаш» составило 1,13.
60
Твердость, HRC
50
HRCCP = 49,1
σ = 0,79
40
30
HRCCP = 22,1
20
σ = 1,69
10
0
30
60
90
120 150 180 210 240 270 300 330 350
Расстояние между замерами, мм
Основной материал
Наплавленный слой
Рисунок 2.53 – Распределение твердости основного материала и наплавленного
слоя лемеха ПЛЖ-31702 «Рубцовск плуг»
Анализ графика показал, что максимальное значение твердости основного материала составило 24 HRC, а минимальное – 20 HRC при среднем значении твердости 22,1 HRC. Среднеквадратическое отклонение
твердости основного материала составило 1,69. Максимальное значение
твердости наплавленного материала составило 51,1 HRC , а минимальное
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
48,3 HRC при среднем значении твердости 49,1 HRC. Среднеквадратическое отклонение твердости наплавленного материала составило 0,79.
60
Твердость, HRC
HRCCP = 55,6
σ = 1,06
50
40
30
HRCCP = 29,4
σ = 1,9
20
30
60
90
120 150 180 210 240 270 300 330 350
Расстояние между замерами, мм
Основной материал
Наплавленный слой
Рисунок 2.54 – Распределение твердости основного материала и наплавленного
слоя лемеха производства «Светлоградагромаш» наплавленный
Из графика видно, что максимальное значение твердости основного
материала составило 31,4 HRC, а минимальное – 26 HRC при среднем значении твердости 29,4 HRC. Среднеквадратическое отклонение твердости
основного материала составило 1,9. Максимальное значение твердости наплавленного материала составило 57,1 HRC, а минимальное – 54 HRC при
среднем значении твердости 55,6 HRC. Среднеквадратическое отклонение
твердости наплавленного материала составило 1,06.
Твердость, HRC
60
HRCCP = 52,8
50
σ = 0,86
40
30
HRCCP = 29,6
σ = 1,7
20
30
60
90 120 150 180 210 240 270 300 330 350
Расстояние между замерами, мм
Основной материал
112
Наплавленный слой
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.55 – Распределение твердости основного материала и наплавленного
слоя лемеха производства «Светлоградагромаш» наплавленного порошком на основе
чугунной стружки
Из графика видно, что максимальное значение твердости основного
материала составило 32 HRC, а минимальное – 26,1 HRC при среднем значении твердости 29,6 HRC. Среднеквадратическое отклонение твердости
основного материала составило 1,7. Максимальное значение твердости наплавленного материала составило 54,1 HRC, а минимальное – 52 HRC
при среднем значении твердости 52,8 HRC. Среднеквадратическое отклонение твердости наплавленного материала составило 0,86.
Твердость, HRC
60
HRCCP = 52
50
σ = 0,86
40
HRCCP = 29,8
30
σ = 2,3
20
30
60
90 120 150 180 210 240 270 300 330 350
Расстояние между замерами, мм
Основной материал
Наплавленный слой
Рисунок 2.56 – Распределение твердости основного материала и наплавленного
слоя лемеха производства «Светлоградагромаш», упрочненного ручной дуговой наплавкой порошком «Сормайт»
Из графика видно, что максимальное значение твердости основного
материала составило 32 HRC, а минимальное – 25,2 HRC при среднем значении твердости 29,8 HRC. Среднеквадратическое отклонение твердости
основного материала составило 2,3. Максимальное значение твердости наплавленного материала составило 54 HRC, а минимальное – 50,6 HRC при
среднем значении твердости 52 HRC. Среднеквадратическое отклонение
твердости наплавленного материала составило 0,86.
Твердость, HRC
60
HRCCP = 50
50
σ = 0,7
40
30
60
90 120 150 180 210 240 270 300 330 350
Расстояние между замерами, мм
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.57 – Распределение твердости основного материала лемеха фирмы
«VOGEL&NOOT»
Из графика видно, что максимальное значение твердости составило
51,4 HRC , а минимальное – 49,1 HRC при среднем значении твердости 50
HRC. Среднеквадратическое отклонение твердости основного материала
лемеха фирмы «VOGEL&NOOT» составило 0,7.
Результаты проведенного анализа показали, что наименьшим значением среднеквадратического отклонения твердости основного материала 
= 0,7 обладает лемех фирмы «VOGEL&NOOT». Наименьшим значением
среднеквадратического отклонения твердости наплавленного материала 
= 0,86 обладает лемех производства «Светлоградагромаш» упрочненный
ручной дуговой наплавкой порошком «Сормайт». Значения твердости этих
лемехов более стабильны по сравнению с другими образцами.
Для сравнения вариаций среднеквадратического отклонения к среднеарифметической использовали коэффициент вариации как характеристику однородности совокупности. Коэффициент вариации не превышает
33 % для всех образцов.
2.9 Моделирование долговечности рабочих органов по интенсивности
их изнашивания в лабораторных условиях
Среди факторов, определенных в разделе 2 выделены основные, оказывающие наибольшее влияние на скорость изнашивания: скорость относительного перемещения , давление на образец Рс и концентрация абразива  .
Диапазон варьирования скорости выбран от 1 до 3 м/с из-за того, что
для плугов общего назначения в соответствии с агротребованиями средняя
скорость составляет 2 м/с [191].
Диапазон варьирования давления от 50 до 200 кПа выбран в связи с
тем, что среднее давление, при работе плужного корпуса на лемехе находится в этом интервале 100…150 кПа
Интервал варьирования концентрации добавленного абразива от 0 до
20% выбран на основании изучения литературных источников [193, 202].
Ввиду многовариантности влияния указанных параметров на исследуемую характеристику (интенсивность изнашивания) было принято решение о проведении многофакторного эксперимента по определению износостойкости материалов, из которых изготавливаются плужные лемеха.
После проведения предварительных поисковых экспериментов, были
полученные уровни варьирования регулируемых факторов, с учетом реальных условий эксплуатации плуга. Они являлись основой для составления матрицы активного планирования многофакторного эксперимента.
Для осуществления многофакторного активного эксперимента принят трехуровневый план второго порядка Бокса-Бенкина для трех факторов
[1, 19, 199]. Он относится к группе почти Д-оптимальных планов, у кото114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рых дисперсия воспроизводимости результатов эксперимента равномерно
распределена по всем точкам поверхности отклика. Математическая модель второго порядка, полученная на основе таких планов, имеет одинаковую статистическую характеристику по всем направлениям.
В качестве параметра оптимизации (функция отклика) была выбрана скорость изнашивания образцов.
Параметр оптимизации обозначали символом Yu.
Скорость изнашивания как параметр оптимизации соответствует
следующим требованиям:
- скорость изнашивания изменяется при любом изменении (комбинации) факторов;
- скорость изнашивания статически эффективный параметр, то есть
изменяется с наибольшей точностью, что позволяет сократить до минимума повторность опытов.
При определении величин количественных оценок во внимание принимаем только те факторы, которые имеют четкий метрологический
смысл, факторы процесса обозначали символом X.
Выбранные факторы должны отвечать следующим требованиям:
- все факторы управляемые, то есть позволяют устанавливать требуемое значение и поддерживать его постоянным в течение опыта;
- для всех факторов выполняются условия совместимости, то есть
такие условия, при которых возможно их взаимное влияние;
- все факторы независимые, то есть обладают возможностью их установки на любом уровне независимо от уровней других факторов;
- все факторы однозначны, то есть не являются функцией других;
- все факторы непосредственно воздействуют на параметр оптимизации;
- точность установления граничных значений факторов максимально
высокая.
В эксперимент включали три нижеуказанных фактора, для каждого
из них устанавливали три уровня: верхний, нижний и основной.
На основании собственных теоретических исследований и анализа
исследований процесса работы плуга другими авторами, приняты следующие факторы: X1 – скорость относительного перемещения, м/с; X2 –
давление на образец, МПа; X3 – концентрация абразива, % (табл. 2.4). Кодирование факторов осуществлялось по формуле:
х =
где
 −0
∆X
,
Xi – значение фактора;
Х0 – центр области планирования;
ΔХ – интервал варьирования.
115
(2.57)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 2.4 – Варьирование факторов в эксперименте
Показатель
Верхний уровень
Основной
уровень
Нижний уровень
Интервал
варьирования
Кодированное
обозначение
Наименование факторов и их величина
Скорость относительного перемещения, м/с
Давление на
образец, мПа
Наличие абразива, %
+1
3
0,2
20
0
2
0,125
10
-1
1
0,05
0
Х
1
0,075
10
Вводили условное обозначение верхнего, нижнего и основного уровней фактора соответственно +1, -1 и 0.
Затем строили план матрицы планирования эксперимента в виде таблицы, в строках которой записываем данные опытов, в столбцах – факторы
(в кодах «+» и «-») с реализацией их всех возможных сочетаний.
Для получения уравнений регрессии по критериям оптимальности
был выбран Трехуровневый план второго порядка Бокса-Бенкина (табл.
2.5).
Для обработки данных, полученных в ходе эксперимента по трехуровневому плану Бокса-Бенкина 2-го порядка, была разработана программа в Microsoft Excel (приложение 7), алгоритм которой соответствует
методике обработки экспериментальных данных [101 и 109].
Таблица 2.5 – План эксперимента
№, u
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Трехуровневый план 2-го порядка Бокса-Бенкина
x1,u
x2,u
1
1
-1
1
1
-1
-1
-1
0
0
1
0
-1
0
1
0
-1
0
0
0
0
1
0
-1
0
1
0
-1
0
0
116
x3,u
0
0
0
0
0
1
1
-1
-1
0
1
1
-1
-1
0
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
После обработки экспериментальных данных были получены
функции отклика параметра оптимизации, представляющие собой полином первой степени, уравнения регрессии которых в раскодированном виде имеют вид
γ 1=0,02173+0,0013Pс+0,00022Cа-0,0011v+0,0028PсCа+0,024Pсv, (2.58)
γ 2=0,0077+0,008Pс+0,0001Cа-0,0003v+0,0012PсCа+0,0106Pсv,
(2.59)
γ 3=0,0028+0,0066Pс+0,0001Cа-0,0001v+0,0005PсCа+0,004Pсv,
(2.60)
γ 4=0,0030+0,0093Pс+0,00008Cа-0,00006v+0,0006PсCа+0,0053Pсv, (2.61)
γ 5=0,0023+0,0066Pс+0,00008Cа-0,0001v+0,0005PсCа+0,004Pсv,
(2.62)
γ 6=0,0006+0,004Pс+0,000025Cа-0,00014v+0,00026PсCа+0,0013Pсv. (2.63)
В нижнем символе параметра оптимизации к условному обозначению лемехов добавлены символы «1,2,3,4,5,6», определяющие марку лемеха соответственно серийный трапецеидальный лемех П-702 производства «Светлоградагромаш» (№ 1), лемех ПЛЖ-31702 «Рубцовск плуг» (№ 2),
лемех П-702 производства «Светлоградагромаш» наплавленный (№ 3), лемех производства «Светлоградагромаш», наплавленный порошком на основе чугунной стружки (№ 4), лемех производства «Светлоградагромаш»,
упрочненный ручной дуговой наплавкой порошком «Сормайт» (№ 5), и
лемех фирменный «VOGEL&NOOT» (№ 6) соответственно.
Полученные уравнения подвергались статистической проверке разработанной программой по критериям Кохрена (оценка воспроизводимости), Стьюдента (оценка значимости коэффициентов уравнения регрессии по доверительному интервалу) и Фишера (оценка адекватности
расчетных значений критериям оптимизации по уравнениям регрессии,
полученным в ходе эксперимента) [101 и 109].
Анализ закономерностей износа образца № 1 (рис. 2.58), показал, что
все зависимости имеют линейный характер.
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Скорость изнашивания , кг/ч
0.0530
0.0500
0.0470
0.0440
0.0410
0.0380
0.0350
0.0320
0.0290
0.0260
0.0230
0.0200
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Скорость относительного перемещения v, м/с
Р=0,050МПа, С=0%
Р=0,050МПа, С=10%
Р=0,050МПа, С=20%
Р=0,125МПа, С=0%
Р=0,125МПа, С=10%
Р=0,125МПа, С=20%
Р=0,200МПа, С=0%
Р=0,200МПа, С=10%
Р=0,200МПа, С=20%
Рисунок 2.58 – Зависимость скорости изнашивания образца №1 от скорости относительного перемещения υ, давления Рс и концентрацией абразива Cа
При этом с увеличением скорости относительного перемещения υ,
скорость изнашивания в исследуемом диапазоне возрастает. Так, например, при Рс = 0,05 МПа и концентрации абразива Cа = 0 % скорость изнашивания образца для υ = 1 м/с равна γ = 0,0219 кг/ч, а при υ = 3 м/с скорость изнашивания γ = 0,0221 кг/ч. То есть с увеличением скорости относительного перемещения поверхностей в 3 раза скорость изнашивания γ
увеличилась на 9 %.
Скорость изнашивания образца №1 при Рс = 0,05 МПа и υ = 1 м/с с
увеличением концентрации абразива Cа = 20 % составляет γ = 0,0291 кг/ч,
а при υ = 3 м/с, скорость изнашивания
γ = 0,0293 кг/ч, что выше на 33
% и 32 % соответственно чем с концентрацией абразива Cа = 0 % при тех
же скоростях.
С ростом давления скорость изнашивания образца № 1 как с концентрацией абразива Cа =0 %, так и с концентрацией абразива Cа = 20 %
растает. Для концентрации абразива Cа = 0 % и при υ = 1 м/с и Р = 0,05
МПа, γ = 0,0219 кг/ч, а при Рс = 0,2 МПа скорость изнашивания γ = 0,0257
кг/ч. При υ = 3 м/с и при Рс = 0,05 МПа γ = 0,0221 кг/ч, а при Рс = 0,2 МПа
скорость изнашивания γ = 0,0331 кг/ч. С ростом давления от 0,05 до 0,2
МПа для скорости υ = 1 м/с скорость изнашивания возрастает на 17,4 %, а
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
для скорости υ = 3 м/с – на 49,7 %, что определяется влиянием совместного
проявления двух факторов − скорости перемещения υ и давления в зоне
контакта Рс. В свою очередь для концентрации абразива Cа = 20 % при υ =
1 м/с и Р = 0,05 МПа, γ = 0,0291 кг/ч, а при Рс = 0,2 МПа скорость изнашивания γ = 0,0413 кг/ч. При υ = 3 м/с и Рс = 0,05 МПа γ = 0,0293 кг/ч, а при
Рс = 0,2 МПа скорость изнашивания γ = 0,0487 кг/ч. С ростом давления от
0,05 до 0,2 МПа для скорости υ = 3 м/с скорость изнашивания возрастает
на 42 %, а для скорости υ = 3 м/с на 66,2 %.
Работа образца №1 показывает, что скорость изнашивания γ с увеличением давления, скорости перемещения и концентрации абразива увеличилась на 222%, то есть на образца №1 совместное проявление взаимодействия скорости перемещения υ, давления Рс и концентрации абразива оказывает еще большее влияние на скорость изнашивания.
Аналогичные зависимости для образцов № 2, 3, 4, 5 и 6 представлены в приложении 9, 10 и 11.
Из графиков видно, что для образцов № 2, 3, 4, 5 и 6 прослеживается
такая же тенденция повышения скорости изнашивания с ростом скорости
относительного перемещения образца υ, концентрации абразива Cа и давления Рс, как и у образца № 1. Однако следует отметить тот факт, что скорость изнашивания у образцов № 2, 3, 4, 5 и 6 значительно ниже, образца
№ 1 в 2 − 14 раза. Самая низкая скорость изнашивания у образца №6 по
сравнению с образцом №1 в 14 раза ниже. У образцов № 3, 4, 5 приблизительно одинаковая скорость изнашивания в 4 - 6 раз ниже, чем у образца №
1. Самый низкий показатель у образца № 2 скорость изнашивания в 2 раза
ниже, чем у образца № 1.
В результате проведенных исследований установлено, что испытанные образцы имеют различную скорость изнашивания при изменении давления, скорости перемещения и концентрации абразива.
Для более полного анализа полученных функций отклика для всех
образцов, введем коэффициент ―k‖ – относительной износостойкости одной функции отклика к другой:
k ij =
γi
γj
,
(2.64)
где γi и γj – значения критерия оптимизации i-ой и j-ой образцов при
фиксированных значениях Х1, Х2 ,Х3 (Рс,Са υ).
Коэффициенты k12, k13, k14, k15, и k16 показывают отношение скорости
изнашивания образца «№ 1» соответственно к образцам «№ 2, 3, 4, 5» и 6».
Данные по расчетам всех коэффициентов относительности представлены в
приложении, на основании этих данных построены аналитические зависимости, представленные на рисунках 2.46 - 2.47.
В ходе обработки данных по коэффициентам относительности k12,
k13, k14, k15, и k16 получены линейные зависимости, характеризующие во
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Относительная износостойкость, k
сколько раз снизится скорость изнашивания исследуемых образцов относительно образца № 1.
На рисунке 2.59 представлена аналитическая зависимость относительной износостойкости коэффициента k12 при изменении давления и
концентрации абразива.
2.65
2.60
2.55
2.50
2.45
2.40
2.35
2.30
2.25
2.20
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Скорость относительного перемещения v, м/с
Р=0,050МПа, С=0%
Р=0,050МПа, С=10%
Р=0,050МПа, С=20%
Р=0,125МПа, С=0%
Р=0,125МПа, С=10%
Р=0,125МПа, С=20%
Р=0,200МПа, С=0%
Р=0,200МПа, С=10%
Р=0,200МПа, С=20%
Рисунок 2.59 – Зависимость относительной износостойкости k12 от скорости относительного перемещения υ, давления Рс и концентрации абразива Cа
Из данных рисунка 2.59 видно, что с изменением скорости относительного перемещения с υ = 1 м/с до υ = 3 м/с износостойкость образца №
2 относительно образца № 1 при давлении Рс = 0,05 МПа и концентрации
абразива Cа= 0 % увеличится в 2,51 … 2,63 раза, при том же давлении Рс
= 0,05 МПа но при концентрации абразива Cа = 20 % увеличение износостойкости составило в 2,44 … 2,52 раз соответственно для скорости относительного перемещения υ = 1 м/с и υ = 3 м/с.
С ростом давления до Рс = 0,2 МПа относительная износостойкость
k12 с концентрацией абразива Cа = 0 %, для скорости υ = 1 м/с и υ = 3 м/с
составит 2,31 и 2,24 соответственно, а при концентрации абразива
Cа = 20 % для давления Рс = 0,2 МПа при скорости υ = 1 м/с и υ = 3 м/с составит 2,30 и 2,26, что ниже на 9 % и 10 %, чем при давлении Рс = 0,05
МПа для той же концентрации абразива Cа = 20 %.
Относительная износостойкость k12 показывает, что с увеличением
давления, скорости перемещения и концентрации абразива она увеличилась в 2,26…2,63 раза.
120
Относительная износостойкость, k
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7.00
6.50
6.00
5.50
5.00
4.50
4.00
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Скорость относительного перемещения v, м/с
Р=0,050МПа, С=0%
Р=0,050МПа, С=10%
Р=0,050МПа, С=20%
Р=0,125МПа, С=0%
Р=0,125МПа, С=10%
Р=0,125МПа, С=20%
Р=0,200МПа, С=0%
Р=0,200МПа, С=10%
Р=0,200МПа, С=20%
Рисунок 2.60 – Зависимость относительной износостойкости k13 от скорости относительного перемещения υ, давления Рс и концентрации абразива Cа
Из данных рисунка 2.60 видно, что с изменением скорости относительного перемещения с υ = 1 м/с до υ = 3 м/с износостойкость образца №
3 относительно образца №1 при давлении Рс = 0,05 МПа и концентрации
абразива Cа= 0% увеличится в 6,44 … 6,78 раза, при том же давлении Рс
=0,05 МПа, но при концентрации абразива Cа = 20 % увеличение износостойкости составило 4,94 … 5,08 раз соответственно для скорости относительного перемещения υ = 1 м/с и υ = 3 м/с.
С ростом давления до Рс = 0,2 МПа относительная износостойкость
k13 с концентрацией абразива Cа = 0 %, для скорости υ = 1 м/с и υ = 3 м/с
составит 5,32 и 5,33 соответственно, а при концентрации абразива Cа = 20
%, для давления Рс = 0,2 МПа при скорости υ = 1 м/с и υ = 3 м/с составит
4,68 и 4,72, что выше на 6 % и 7 %, чем при давлении Рс = 0,05 МПа для
той же концентрацией абразива Cа = 20 %.
Относительная износостойкость k13 показывает, что с увеличением
давления, скорости перемещения и концентрации абразива она увеличилась в 4,76…6,78 раза.
121
Относительная износостойкость, k
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.00
5.80
5.60
5.40
5.20
5.00
4.80
4.60
4.40
4.20
4.00
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Скорость относительного перемещения v, м/с
Р=0,050МПа, С=0%
Р=0,050МПа, С=10%
Р=0,050МПа, С=20%
Р=0,125МПа, С=0%
Р=0,125МПа, С=10%
Р=0,125МПа, С=20%
Р=0,200МПа, С=0%
Р=0,200МПа, С=10%
Р=0,200МПа, С=20%
Рисунок 2.61 – Зависимость относительной износостойкости k14 от скорости относительного перемещения υ, давления Рс и концентрации абразива Cа
Из данных рисунка 2.61 видно, что с изменением скорости относительного перемещения с υ = 1 м/с до υ = 3 м/с износостойкость образца №
4 относительно образца № 1 при давлении Рс = 0,05 МПа и концентрации
абразива Cа= 0 % увеличится в 5,42 … 5,97 раза, при том же давлении Рс
= 0,05 МПа, но при концентрации абразива Cа = 20 % увеличение износостойкости составило 4,66 … 4,96 раза соответственно для скорости относительного перемещения υ = 1 м/с и υ = 3 м/с.
С ростом давления до Рс = 0,2 МПа относительная износостойкость
k13 с концентрацией абразива Cа = 0 %, для скорости υ = 1 м/с и υ = 3 м/с
составит 4,21 и 4,31 соответственно, а при концентрации абразива Cа = 20
% для давления Рс = 0,2 МПа при скорости υ = 1 м/с и υ = 3 м/с составит
4,11 и 4,19, что выше на 12 % и 16 %, чем при давлении Рс = 0,05 МПа для
той же концентрацией абразива Cа = 20 %.
Относительная износостойкость k14 показывает, что с увеличением
давления, скорости перемещения и концентрации абразива она увеличилась в 4,11 … 5,97 раза.
122
Относительная износостойкость, k
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8.50
8.00
7.50
7.00
6.50
6.00
5.50
5.00
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Скорость относительного перемещения v, м/с
Р=0,050МПа, С=0%
Р=0,050МПа, С=10%
Р=0,050МПа, С=20%
Р=0,125МПа, С=0%
Р=0,125МПа, С=10%
Р=0,125МПа, С=20%
Р=0,200МПа, С=0%
Р=0,200МПа, С=10%
Р=0,200МПа, С=20%
Рисунок 2.62 – Зависимость относительной износостойкости k15 от скорости относительного перемещения υ, давления Рс и концентрации абразива Cа
Из данных рисунка 2.62 видно, что с изменением скорости относительного перемещения с υ = 1 м/с до υ = 3 м/с износостойкость образца №
5 относительно образца №1 при давлении Рс = 0,05 МПа и концентрации
абразива Cа= 0 % увеличится в 7,62 … 8,11 раза, при том же давлении Рс
= 0,05 МПа, но при концентрации абразива Cа = 20 % увеличение износостойкости составило 5,86 … 6,06 раза соответственно для скорости относительного перемещения υ = 1 м/с и υ = 3 м/с.
С ростом давления до Рс = 0,2 МПа относительная износостойкость
k13 с концентрацией абразива Cа = 0 % для скорости υ = 1 м/с и υ = 3 м/с
составит 5,91 и 6,12 соответственно, а при концентрации абразива Cа = 20
% для давления Рс = 0,2 МПа при скорости υ = 1 м/с и υ = 3 м/с составит
5,29 и 5,32, что выше на 10 % и 13 %, чем при давлении Рс = 0,05 МПа для
той же концентрации абразива Cа = 20 %.
Относительная износостойкость k15 показывает, что с увеличением
давления, скорости перемещения и концентрации абразива она увеличилась в 4,76 … 6,78 раза.
123
Относительная износостойкость, k
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
23.00
21.00
19.00
17.00
15.00
13.00
11.00
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Скорость относительного перемещения v, м/с
Р=0,050МПа, С=0%
Р=0,050МПа, С=10%
Р=0,050МПа, С=20%
Р=0,125МПа, С=0%
Р=0,125МПа, С=10%
Р=0,125МПа, С=20%
Р=0,200МПа, С=0%
Р=0,200МПа, С=10%
Р=0,200МПа, С=20%
Рисунок 2.63 – Зависимость относительной износостойкости k16 от скорости относительного перемещения υ, давления Рс и концентрации абразива Cа
Из данных рисунка 2.63 видно, что с изменением скорости относительного перемещения с υ = 1 м/с до υ = 3 м/с износостойкость образца
№6 относительно образца №1 при давлении Рс = 0,05 МПа и концентрации абразива Cа= 0 % увеличится в 15,61 … 21,78 раза, при том же давлении Рс = 0,05 МПа, но при концентрации
и абразива Cа = 20 % увеличение износостойкости составило 13,47 …
16,48 раза соответственно для скорости относительного перемещения υ = 1
м/с и υ = 3 м/с.
С ростом давления до Рс = 0,2 МПа относительная износостойкость
k16 с концентрацией абразива Cа = 0 % для скорости υ = 1 м/с и υ = 3 м/с
составит 12,73 и 14,27 соответственно, а при концентрации абразива Cа =
20 %, для давления Рс = 0,2 МПа при скорости υ = 1 м/с и υ = 3 м/с составит 11,76 и 12,36, что выше на 13 % и 25 %, чем при давлении Рс = 0,05
МПа для той же концентрации абразива Cа = 20 %.
Относительная износостойкость k16 показывает, что с увеличением
давления, скорости перемещения и концентрации абразива она увеличилась в 4,76…6,78 раза.
Таким образом, выполненные исследования показали, что относительная износостойкость образца №6 в среднем в 14 раз выше, чем у образца №1, это самый лучший показатель. У образцов № 3,4 и 5 среднее
значение относительной износостойкости в 4…6 раз выше по сравнению с
серийным лемехом (образец №1), а у лемеха ПЛЖ-31702 (образец № 2) в 2
раза выше, чем у образца № 1.
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.10 Влияние износа лемехов на качество вспашки почвы при
эксплуатационных испытаниях и
технико-экономическая оценка
результатов исследования
Для оценки влияния геометрических параметров режущих органов
на глубину обработки пахотного агрегата нами проведены опыты на черноземных почвах учебно-опытного хозяйства Ставропольского государственного аграрного университета, которые позволили оценить качество выполнения пахотных работ.
Опыты проводились на оборотном плуге Kuhn Challenger-Т-8, который агрегатировался с тракторам New Holland серии T8040. Все опыты
проводили на одном и том же поле в течение одного дня. При этом сохранялись неизменными агрофон поля, влажность и твердость почвы. Участки
с явно выраженными отклонениями исключались из эксперимента. Разбивка участков для проведения опытов, а также определение показателей
работы плуга (глубину вспашки, ширину захвата) проводили в соответствие с требованиями по ГОСТ 26244-84. Расход топлива регистрировали с
использованием спутниковой системы навигации «АвтоСкан».
GPS мониторинг транспорта «АвтоСкан» — собственная разработка Нижегородской фирмы ООО «М-Лайн», построенная по технологии
GPS слежения и использующая данные GPS/ГЛОНАСС.
Система слежения за транспортом «АвтоСкан» представляет собой
электронный прибор, который устанавливается на наблюдаемую технику,
с подключаемыми к нему датчиками который устанавливается на каждую
единицу контролируемого транспорта. Система использует GSM-модем
для обмена данными и систему GPS-навигации для определения координат
ее месторасположения. Наблюдать за движением ваших транспортных
средств можно с компьютера, имеющего доступ в Интернет. Навигационная система позволяет в реальном времени определять местонахождение
объекта, а так же формирует графический и статистический отчет (рис.
2.64) по пробегам, расходу топлива, режимам работы двигателя, остановкам, стоянкам, простоям, отчетов о нарушении скоростного режима и других событиях. Такие возможности спутниковой системы позволяют установить степень загрузки на конкретных видах работ и возникающие неравномерности работы двигателя, которые могут быть связаны с изменением состояния рабочих органов сельскохозяйственных орудий [149].
Данными системами контроля оборудованы практически все виды мобильной техники в учебно-опытном хозяйстве Ставропольского государственного аграрного университета.
На размеченном поле сравнивались результаты обработки поля изношенными и новыми лемехами. При этом фиксировалось точное время
работы изношенными и новыми лемехами для последующего контроля
расхода топлива в диспетчерском центре.
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.64 - Основное окно программы АвтоCкан GPS, вкладка "Графики"
Полученные данные изменения глубины вспашки обрабатывали с
использованием методов математической статистики и компьютерной программы по методике [172]. В результате чего были построены гистограммы и полигоны распределения, а также кривые накопленных опытных вероятностей глубины вспашки изношенных и новых лемехов, которые дают
наглядное представление об опытном распределении надежности процесса
вспашки.
В результате чего были построены гистограммы и полигоны
распределения, а также кривые накопленных опытных вероятностей глубины вспашки изношенных (рис. 2.65) и новых (рис. 2.66) лемехов, которые дают наглядное представление об опытном распределении надежности
процесса вспашки.
На рисунке 2. 65 видно, что разброс экспериментально установленных значений глубины вспашки находился в пределах 15,3…24,4 см. С вероятностью 0,95 установлено, что среднее значение глубины обработки составило
18,5 см с доверительным интервалом 17,8…19,1 см, среднее квадратическое отклонение составило σ = 2,2 см. Общая протяжность интервала составила 9,1 см. На графике дополнительно отмечены допуски глубины обработки по агротребованиям ∆ агр.треб. и максимально возможный интервал
расширения этого диапазона ∆ доп с учетом выравненности агроландшафта.
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.65 - Схема экспериментального распределения глубины вспашки изношенных лемехов
Интегральная кривая распределения глубины обработки изношенными лемехами F(t) позволила определить процентное соотношение значений
глубины вспашки, удовлетворяющих установленным требованиям ∆ доп.
Рисунок 2.66 - Схема экспериментального распределения глубины вспашки новых лемехов
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из графика видно, что 77 % значений глубины обработки оказались
ниже установленного предела ∆н доп , а 3 % превышают установленный
предел∆в доп . И только 20 % значений глубины обработки попали в допустимые пределы. Разбивая интегральную кривую F(t) левее от нижней границы допуска ∆н доп на участки, можно установить процентное соотношение глубины вспашки в каждом интервале.
В отличие от изношенных для новых лемехов (рис. 2.66) общая протяженность интервала распределения глубины вспашки составила 2,8 см, а
разброс экспериментально установленных значений находится в пределах
20,2…23,0 см. Среднее значение глубины обработки составило 21,2 см с
доверительным интервалом 21,0…21,4 см. Среднее квадратическое отклонение составило σ = 0,65 см. Из графика видно, что 96 % значений глубины обработки удовлетворяют заданным условиям и только 4 % превышают
верхний установленный предел ∆в доп . В сравнени с работой изношенных
лемехов протяжность интервала разброса значений глубины обработки в
этом случае снизилась в 3,8 раза.
Проведенные опыты показали, что использование лемехов, достигших предельного износа носка и лезвия по ширине, приводит в 80 % случаев к нарушению агротребований по заданной глубине обработки. Практически это означает, что надежность процесса лемехов, достигших предельного износа, составит 0,2, а новых лемехов составило 0,96.
Если оценивать надежность процесса вспашки новыми и изношенными лемехами с помощью показателя фактической результативности, то
получим: для новых лемехов при показателе надежности Нд = 0,96 показатель фактической результативности равен р = 24, а показатель фактической результативности изношенных лемехов составит р = 0,25 при надежности процесса Нд = 0,2. Практически это означает, что для новых лемехов на каждые 24 га пашни, удовлетворяющие агротребованиям, приходится 1 га, неудовлетворяющий им, а для изношенных - на каждые 0,25 га
пашни, удовлетворяющие агротребованиям, приходится 1 га, неудовлетворяющий им.
В соответствии с методикой сравнительной оценки предложенной в
разделе 2.4 были оценен процесс вспашки новыми и изношенными лемехами. С вероятностью 0,95 установлено, что среднее значение глубины обработки изношенными лемехами составило 18,5 см при расходе топлива
30,5 кг/га. При работе с новыми лемехами среднее значение глубины составило 21,1 см при расходе топлива 27,2 кг/га.
Таким образом, работа лемехов, достигших предельного износа,
приводит к нарушению агротребований по заданной глубине обработки и
увеличению расхода топлива на 11 % (рис. 2.67). Тот объем работы, который был выполнен с нарушением агротребований по глубине вспашки
следует считать как дополнительный объем работы, приводящий к до128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
полнительным общим затратам на заработную плату, топливо-смазочные
материалы, покупку и замену лемехов.
Рисунок 2.67 - Общие затраты на вспашку
Поэтому практический интерес представляет величина предельного
значения затылочной фаски кр, которую можно контролировать как с помощью шаблона так и, косвенно, с помощью дополнительного расхода топлива с помощью системы навигации «АвтоСкан», или датчиков моментального расхода топлива.
Для оценки эксплуатационных свойств наплавленных лемехов были
проведены их полевые испытания в хозяйствах восточной зоны Ставропольского края. В опытах сравнивались шесть видов лемехов. Серийный
трапецеидальные лемеха (№1) сравнивали с лемехами: лемех ПЛЖ-31702
«Рубцовск плуг» (№2), лемех П-702 производства «Светлоградагромаш»
(№3), лемех наплавленный порошком на основе чугунной стружки (№4),
лемех, упрочненный ручной дуговой наплавкой порошком сормайта (№5)
и лемех фирменный «VOGEL&NOOT» (№6).) (рис 2.68).
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
в
г
д
е
Рисунок 2.68 - Виды лемехов прошедшие испытания: а - сериный трапецеидальный лемех; б - лемех ПЛЖ-31702 «Рубцовск плуг»; в - лемех П-702 производства «Светлоградагромаш» наплавленный; г - лемех производства «Светлоградагромаш» наплавленный порошком на основе чугунной стружки; д - лемех, упрочненный ручной дуговой наплавкой порошком «Сормайт»; е - лемех фирменный «VOGEL&NOOT»
Испытания проходили в хозяйствах восточной зоны Ставропольского края.
Сопоставимость результатов испытаний, проводимых в разное время
и в разных почвенных условиях, обеспечивалось одновременным испытанием серийных и опытных рабочих органов.
Каждый плуг оснащался двумя серийными и двумя опытными лемехами. Серийный и опытный рабочие органы маркировали и нумеровали в
нарастающем порядке.
Перед началом испытаний проводили первичную экспертизу рабочих
органов на их соответствие чертежам и техническим требованиям, для чего
проводили 100%-й контроль лемехов по всем размерным параметрам,
твердости материала и геометрии заточки лезвия. Первичную техническую
экспертизу рабочих органов проводили по ОСТ 10.2.1-97 для последующего определения величины износа.[175].
Размеры рабочих органов контролировали по параметрам, указанным
на рисунке 2.69.
Установка рабочих органов на плуг производилась по следующей
схеме: серийный лемех на первой и третьей стойке, а опытный на второй и
последней стойках.
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 2.69 - Контролируемые параметры лемеха
При необходимости сравнения результатов испытаний серийных и
опытных рабочих органов данная схема обеспечивает достаточную точность результатов испытаний, так как нагрузка на рабочие органы плуга
изменяется в сторону уменьшения от первого корпуса к последнему.
Испытания проходили на песчаной почве влажностью 10 - 15 % и
твердостью 0,8 - 1,2 МПа. Перед полевыми испытаниями плужные лемеха
были заточены, в соответствии с техническими требованиями по ОСТ 10.2.197 [150].
Испытания проводились до достижения каждым рабочим органом
предельного состояния. В качестве условия для одинаковой оценки работы
лемехов была установлена толщина режущей кромки. Расчетное значение
ресурса лемеха устанавливалось тогда, когда толщина режущей кромки
лезвия у всех наблюдаемых образцов становилось больше 3 мм. Показатели эксплуатационных испытаний лемехов представлены в таблице 2.6.
№ Варианта
Среднее значение
рабочего
ресурса, га
органа
1
2
3
4
5
6
7,4
10,2
22,0
24,7
25,3
52,1
Средняя скорость изнашивания
по массе,
кг/га
по ширине лезвия, мм/га
по высоте, мм/га
0,092
0,08
0,048
0,045
0,04
0,024
0,98
0,6
0,56
0,52
0,45
0,2
2,82
2,66
2,54
2,36
2,18
1,8
Из данных таблицы 2.6 видно, что ресурс серийного лемеха производства «Светлоградагромаш» при вспашке песчаных почв твердостью 2,0
МПа и влажностью 10 - 15 % составил 7,4 га, при средней скорости изнашивания 0,092 кг/га. Самый высокий ресурс
у лемехов фирмы
«VOGEL&NOOT» 52,1 га, при средней скорости изнашивания 0,024 кг/га.
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лемеха № 3, 4 и 5 показали приблизительно одинаковые результанты, и их
ресурс составил 22…26 га при средней скорости изнашивания 0,04…0,048
кг/га.
В соответствии с методикой сравнительной оценки предложенной в
разделе 2.6 были оценены лемеха, которые прошли эксплуатационные испытания. Результаты сравнительной оценки представлены на рисунке 2.70.
Рисунок 2.70 Показатели сравнительной оценки плужных лемехов прошедшие эксплуатационные испытания
Сравнительная оценка показала, что, несмотря на то, что наибольший ресурс у лемехов фирмы «VOGEL&NOOT», который составил 51,6га.
Наиболее предпочтительными являются лемеха, наплавленные порошком
на основе отходов чугуна, средний ресурс которых составил в среднем
24,7 га, но технико-экономический показатель на их эксплуатацию 276
руб/га, что на 25 % ниже показателя лемеха фирмы «VOGEL&NOOT».
Высокие технико-экономический показатель у лемехов фирменных
«VOGEL&NOOT» объясняется высокой отпускной ценой самого лемеха,
которая составила 3042 руб. Стоимость лемеха «VOGEL&NOOT» в 9.5
раз выше, чем у серийного трапецеидального и в 4 - 7 раз выше по сравнению с остальными лемехами.
Лемеха производства «Светлоградагромаш» наплавленный и лемеха упрочненные ручной дуговой наплавкой порошком «Сормайт» показали
неплохую выработку по сравнения с серийным трапецеидальными лемехами и приблизительно одинаковую выработку с лемехами производства
«Светлоградагромаш» наплавленными порошком на основе отходов чугуна но они имеют более высокий технико-экономический показатель.
Учитывая результаты сравнительной оценки, перспективными являются лемеха производства «Светлоградагромаш» наплавленные порошком на основе отходов чугуна, имеющие более низкий техникоэкономический показатель.
Технико-экономическую оценку упрочнения рассмотрим примени132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тельно к серийному трапецеидальному лемеху производства «Светлоградагромаш».
Отпускная стоимость упрочненного рабочего органа определяется
по формуле:
С = СН + СУ ,
(2.65)
где СН – стоимость не упрочненного рабочего органа, р.;
СУ – стоимость упрочненного рабочего органа, р.
Стоимость упрочнения определяется по выражению:
СУ = ЗУ + МУ + НУ + ПУ,
р.;
(2.66)
где ЗУ – заработная плата рабочих на упрочнение рабочих органов,
МУ – стоимость материала на упрочнение рабочих органов, р.; НУ –
накладные расходы на упрочнение рабочих органов, р.; ПУ – планируемая
прибыль при упрочнении рабочих органов, р.
Заработная плата рабочих на упрочнение рабочих органов определяется по выражению:
ЗУ = ЗПО + ЗПД + ЕСН ,
(2.67)
где ЗПО – основная заработная плата, р.; ЗПД – дополнительная заработная плата, р.; ЕСН – единый социальный налог, равный 26% от (ЗПО
+ ЗПД), р.
Основная заработная плата рабочих рассчитывается по формуле:
ЗПО = ТОП СЧ  КО,
(2.68)
где ТОП – трудоемкость упрочнения рабочих органов, чел-ч.; СЧ средняя часовая тарифная ставка производственного рабочего при изготовлении или упрочнении рабочих органов, р./ч.; КО – коэффициент, учитывающий доплаты на сверхурочную и другую работу, К= 1,025…1,030.
ЗПО = 0,1  64,0 1,025 =6,56 р.
Дополнительная заработная плата определяется по формуле:
ЗПД = ЗПО  КД,
где КД - коэффициент, дополнительной оплаты, КД = 0,07.
ЗПД = 0,07 6,56 = 0,46 р.
ЗУ = 6,56+ 0,46+ 7,02 = 14,04 р.
133
(2.69)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Стоимость материалов определяется по формуле:
МУ = НМ  ЦМ,
кг.;
(2.70)
где НМ – норма расхода материала на упрочнение рабочего органа,
ЦМ – стоимость материала, р/кг.
МУ = 0,11000 = 100 р.
Накладные расходы, включая прочие расходы на производства продукции, а также затраты на организацию и управление производством
(амортизация зданий и оборудования, затраты на охрану труда и др.). Они
определялись по выражению:
НУ = 200% от (ЗПО + ЗПД),
(2.71)
НУ = 2  7,02 = 14 р.
Планируемая прибыль определяется из выражения:
П=
РП
100
∙ ЗУ + НУ + МУ ,
(2.72)
где РП – планируемая рентабельность производства при изготовлении или упрочнении рабочих органов, %. Принимаем Р = 15%.
П = 0,15 ∙ 14,04+ 14 + 100 = 19,2 р.
СУ =14,02 + 100 + 14 + 19,2 = 147,22 р.
В таблице 2.7 представлены результаты технико-экономической
оценки лемехов изготовленных серийно и упрочненных порошком на основе чугунной стружки.
Определение удельных затрат на использование стандартного и
экспериментального лемехов произведем на 1000 га пашни.
Таблица 2.7 – Технико-экономическая оценка плужного лемеха
Показатели
Цена С, руб.
Годовая нагрузка, га
Средний ресурс, га
Удельные затраты Qу,
руб./га
Стандартный
лемех
Экспериментальный лемех
316
1000
7,4
463
1000
24,7
44,8
19,1
134
Отношение
показателей экспериментального лемеха к
стандартному
1,46
1
3,34
0,42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Как видно из таблицы 2.7 ресурс экспериментального плужного лемеха
в 3,34 раза выше по сравнению со стандартным, при этом его цена возрастает
в 1,46 раза, а удельные затраты снижаются в 0,42 раза.
Экономический эффект от использования экспериментальных плужных лемехов, при выработке их в 1000 га, составит:
Э = Qуст- Qуэк,
где
(2.73)
Qуст, Qуэк - удельные затраты на 1000 га при использовании
стандартных и экспериментальных сегментов режущего аппарата, руб.
Э = 44800 – 19100 = 25700 руб.
Срок окупаемости дополнительных капиталовложений при сезонной
нагрузке плужного лемеха в 1000 га определяется выражением:
S
руб.
Uв
,
Э
(2.74)
где Uв – затраты на вспашку 1000 га экспериментальным лемехом,
S
18745
 0,73 года
25700
Таким образом, использование экспериментального плужного лемеха позволяет снизить удельные затраты на 58%, при его стоимости в 1,46
раза превосходящей стандартные образцы. Окупаемость основных затрат
при вспашке 1000 га составит 0,73 года.
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА
АЛЬ-
3.1 Способы повышения эффективности технологических
процессов в сельскохозяйственном производстве
Значительная часть расходуемых в сельском хозяйстве трудовых,
материальных и финансовых ресурсов связана с выполнением технологий
производства продукции. При этом для снижения ее себестоимости, требуется, повышение производительности и качества выполненных работ,
применяемых технологических процессов, при высоком уровне ресурсосбережения.
Современные механизированные технологии производства сельскохозяйственной продукции включают ряд технологических процессов
почвообработки. Примерами подобных процессов в растениеводстве могут быть: вспашка, лущение, дискование, боронование, культивация и др.
Основоположник «Земледельческой механики» В.П. Горячкин
[63] трактует операционно-технологический процесс, как триединую систему: «источник энергии - рабочий орган машины - среда». Такой комплексный подход получил свое дальнейшее развитие в работах ряда других исследователей, которые расширили возможные пути повышения эффективности технологических процессов (рис. 1.16) [83]. В этой системе, кроме основного процесса превращения механической энергии в полезный продукт, осуществляются вспомогательные процессы, обеспечивающие протекание основного. Объединение этих процессов в систему
обусловлено тем, что именно все они обеспечивают целенаправленное
функционирование любой сельскохозяйственной машины. Такое построение схемы предусматривает то, что первая группа процессов обуславливает работоспособность машины, а вторая – полезную работу, ей производимую. Третья группа – обеспечивает полезную работу работоспособной
машины в соответствии с заданными агротехническими и техникоэкономическими требованиями для выполнения определенного объема
работ при производстве определенной продукции.
При функционировании этой системы, возникают сквозные взаимосвязи показателей работы отдельных рабочих органов машин
с общими
требованиями технологии производства с.х. работ. Перечисленные процессы, их виды и взаимосвязи определяют выходные параметры системы,
содержащие
агротехническую
часть,
энергоемкость,
техникоэкономические параметры.
Это определяет состав машинно-тракторного агрегата и позволяет
выявить основные направления повышения его эффективности.
В основу классификации способов
повышения эффективности
технологических процессов положен анализ исследований [63], [83], [89],
[102 и др.] В.П. Горячкина, В.В. Василенко, А.Б. Лурье, С.А. Иофинова,
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.А.Зангиева, А.Н.
Карпенко, Э.И. Липковича, Э.В. Жалнина и др., посвященных эффективности работы машин, орудий и энергосредст в.
Технологический процесс
Процессы, обеспечивающие работоспособность
сельскохозяйственной машины
Процессы, превращения энергии сельскохозяйственной машиной в полезную работу
Процессы, обеспечивающие работу сельскохозяйственной машины
в соответствии с агросроками, агротехническими, эксплуатационными, технико- экономитескими
требованиями
Рисунок 3.1 – Схема технологического процесса
Ряд других исследователей В.А. Марков, С.Н. Девянин,
Г.С. Савельев, Е.Т. Кауров, И.М. Коклин, В.Б. Рыков и др. доказали эффективность применения альтернативных видов топлива при работе МТА
[110, [111], [114].
Представленная классификация (рис. 3.2), показывает основные
пути повышения эффективности МТА при выполнении технологических
процессов на этапах проектирования, изготовления, эксплуатации и учитывает практический характер их применимости в условиях действующих
сельскохозяйственных предприятий. При этом достигаются критерии повышения эффективности машинно-тракторныхагрегатов, которыми являются: повышение агротехнических показателей при почвообработке, снижение удельной энергоемкости процесса и снижение стоимости выработки
энергии универсальным энергосредством.
На современном этапе одним из приоритетных направлений повышения эффективности МТА является ресурсосбережение. Повышение ресурсосбережения требует системного анализа эффективности с помощью математических моделей.
В них критериями оценки служат материальные и финансовые затраты, себестоимость, производительность и
др. Варьируемыми факторами в этих моделях являются характеристики
средств механизации, сроки, объемы и технологии сельскохозяйственных
работ, производительность и режимы работы машин.
Повышение эффективности МТА в реальных условиях эксплуатации определяется имеющимся в хозяйствах машинно-тракторным парком. Исходя из этого, возможности повышения эффективности имеющихся с.х. машин и орудий в значительной степени исчерпаны, так как
требуют существенных конструктивных изменений или создания новых
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
типов машин.
В то же время, совершенствование
трактора, как универсального энергосредства, обеспечивает повышение эффективности всех видов
почвообрабатывающих МТА, в которых он используется. Значительная
часть затрат на производство механизированных работ приходится на топливо, поэтому, мероприятия по повышению эффективности МТА
должны снижать эти затраты.
Одним из путей снижения затрат является использование моторных
топлив, альтернативных дизельному. Применение в сельском хозяйстве
этих топлив определяется возможностью их использования в дизельных
двигателях, фактором доступности, уровнем развития производства и топливозаправочной сети.
Рисунок 3.2 – Схема повышения эффективности МТА
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Примерами таких топлив (рис.3.3) являются компримированный
природный газ (КПГ), сжиженные углеводородные газы пропан С3Н8 и
бутан С4Н10, водород Н2, метанол СН3ОН, этанол С2Н5ОН и продукты на
их основе, диметиловый эфир СН3ОСН3 и биотоплива, на основе растительных масел [301].
Весомые преимущества среди ихмногообразия, и наибольшее
распространение имеет КПГ, как доступное, экологичное и энергоемкое
топливо. При этом переоборудование универсальных энергосредств
связано с адаптацией системы регулирования подачи топлив для работы двигателя в газодизельном режиме. Известны ряд газодизельных
конструкций [31, 198, 207], которые нашли применение в отечественной
и зарубежной технике.
Рисунок 3.3 - Виды альтернативных топлив
Большой вклад в создание газодизельных
модификаций тракторов внесли исследователи ГНУ ВИМ и ООО ВНИИГАЗ Кауров Е.Т., Савельев Г.С., Шапкайц А.Д. и др., авторы простой и надежной газодизельной конструкции - эжекторной системы ВИМ-ВНИИГАЗ, рекомендован139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ной МИС к переоборудованию распространенных в сельском хозяйстве
моделей тракторов.
Применение КПГ как
топлива
для дизельных двигателей
требует использование специальных битопливных систем питания и
регулирования смеси. Для повышения эффективности
энергосредств,
выполняющих технологические процессы, эти конструкции
должны
обеспечивать эффективное битопливное сгорание и типовую механическую характеристику двигателя.
Для разработки и совершенствования таких конструкций требуется
изучение параметров газодизельного режима, формирование закономерностей эффективного регулирования подачи топлив.
Использование природного газа в качестве основного топливного
компонента горючей смеси в дизелях известно давно [82], [300]. Еще в
30...40-е годы прошлого века крупные европейские автомобильные фирмы
(FIAT, MAN, RENAULT и др.)
проводили специальные исследования
по организации рабочего
процесса двигателей с использованием газового топлива. Аналогичные работы проводились и в СССР, в результате
чего в 1950...1952 г на моторных заводахбыло организовано мелкосерийное производство газодизелей «В-2», «3Д6ГД» [82].
В сельскохозяйственном производстве, как топливо для тракторов,
практическое использование КПГ в период до 1995...1998 г.г. сдерживалось ввиду недостаточного развития
сети автоматических газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС), мобильных газозаправочных средств, несовершенства газодизельных конструкций. В настоящее
время в регионах с развитой газотранспортной структурой имеется сеть
АГНКС, а мобильные газозаправщики решают вопросы по доставке КПГ
на полевые заправочные пункты сельскохозяйственных предприятий [4],
[53]. Все это приводит к увеличению количества единиц газоиспользующего транспорта. Как показывает практика, повышение доступности газового топлива, является важным, но не решающим фактором, способным
существенно увеличить темпы газовой моторизации.
Сельскохозяйственные предприятия, использующие КП Г, чаще
производят переоборудование автомобилей, при незначительной доле переоборудования тракторного парка [111-113]. Одной из причин сдерживающих переоборудование тракторов является достаточная сложность
тракторной газодизельной системы, требующей наличие всережимного регулирования подачи топливных компонентов.
Применение природного газа в качестве моторного топлива в
поршневых двигателях внутреннего сгорания осуществимо в двух типах
двигателей: поршневых газовых двигателях с искровым зажиганием [13],
[46], [309] и газодизельных двигателях, с воспламенением рабочей смеси
от
подачи запальной дозы дизельного топлива [30], [41], [82].
Способ воспламенения газовоздушной смеси (ГВС) только путем
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ее сжатия, без существенного увеличения степени сжатия в существующих
дизельных моделях двигателей, осуществить не удается из-за высокой
температуры самовоспламенения [111], [116], [126].
Дизельные двигатели сельскохозяйственных тракторов после доработок, связанных с конвертацией в газовый или газодизель, могут работать, соответственно, только на природном газе и природном газе с запальной дозой дизельного топлива [37], [82].
Эффективность использования газодизельных тракторов при выполнении сельскохозяйственных механизированных работ в значительной степени определяется эксплуатационно-технологическими показателями, которые зависят в свою очередь от конструкции, как штатных элементов дизеля, так и дополнительно устанавливаемого газодизельного
оборудования.
Поэтому, при переоборудовании сельскохозяйственных тракторов для работы на
компримированном природном газе
необходимо выполнить следующие основные мероприятия [57], [198]:
1) оснащение трактора газобаллонной установкой необходимой
вместимости для хранения КПГ под давлением до 20 МПа;
2) изготовление системы подачи газа и регулирования его количества в соответствии с режимами работы двигателя;
3) конвертация дизельного двигателя в газовый или газодизель;
4) монтажные и регулировочные работы по регулировке двигателя и системы подачи газа с целью обеспечения необходимых мощностных и топливо экономических показателей.
3.2 Технические особенности газодизелей и анализ экспериментально-теоретических исследований газодизельного процесса
Высокую экономическую эффективность применения по сравнению с дизельными двигателями, имеют газодизельные [60]. Дизельные
двигатели при переводе для работы по газодизельному циклу требуют дополнительных условий обеспечения воспламенения газа в камере сгорания, так
как температуравоспламенения метана (6800 С) значительно
превосходит температуру, при которой самостоятельно воспламеняется
дизельное топливо в конце такта сжатия (2800 С) [57], [82]. Газодизельный двигатель работает одновременно на 2-х видах топлива: дизельном
топливе, подаваемом в небольшом количестве для воспламенения
рабочей смеси и природном газе, как основном топливе. Минимальное количество запального дизельного топлива определяется энергией, необходимой для воспламенения и полного сгорания смеси. По данным [60], это
количество составляет не менее 5%. В настоящее время расход дизельного топлива при работе двигателя в газодизельном режиме составляет в
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
среднем 25%...30% и зависит от степени совершенства газодизельной системы [82], [214]. Приуменьшении абсолютной объемной запальной дозы дизельного топлива менее 15% начинает сокращаться срок службы
распылителей форсунок [82], [224]. Ввиду того, что в процессе сгорания
газодизельной смеси имеет место повышение температуры распылителей
[82], в топливовыводных отверстиях форсунок увеличивается интенсивность процессов закоксовывания. Это подтверждает и практическая эксплуатация тракторов К-701 при проведении эксплуатационнотехнологических испытаний [224]. Данные процессы в основном могут
быть вызваны термохимическими преобразованиями молекул углеводородов, а также уменьшением количества дизельного топлива, проходящего
через отверстия распылителей.
Технические задачи по приготовлению и регулированию рабочей
смеси, необходимой для работы двигателя решает битопливная газодизельная система питания [179]. В процессе эксплуатации тракторные газодизели работают при переменной нагрузке, зависящей от сопротивления
сельскохозяйственной машины [128-130] и технологической скорости выполнения механизированной работы. При выполнении заданной операции
с постоянной рабочей скоростью нагрузка двигателя непрерывно изменяется в определенных пределах из-за неоднородности и неровности обрабатываемой почвы. В связи с этим, каждому эксплуатационному режиму
должна соответствовать определенная мощность двигателя, развиваемая
на определенной частоте вращения коленчатого вала. Так как мощность
газодизеля регулируется изменением количества и состава битопливной
смеси, эти функции газодизельная система должна выполнять с достаточной для устойчивой работы двигателя точностью [183].
Основные функции системы, управляющей подачей топлив в газодизельном двигателе, следующие:
1. Проводить запуск двигателя на дизельном топливе без подачи газа во впускную трубу.
2. Подавать запальную дозу дизельного топлива в цилиндры двигателя в соответствие с порядком работы цилиндров, выдерживая оптимальный угол опережения впрыска [70], [98]. Исходя из условий снижения тепловой напряженности распылителей форсунок, минимальная величина абсолютной объемной запальной дозы, должна быть не менее 15%...17% [82]
3. Осуществлять всережимное регулирование подачи запальной дозы дизельного топлива и газа в зависимости от оборотов коленчатого вала
и положения педали акселератора.
4. Обеспечивать идентичность дизельных и газодизельных скоростных и регуляторных характеристик работы двигателя.
5. Блокировать подачу газа при полных цикловых подачах дизельного топлива при работе двигателя в газодизельном режиме.
6. Перекрывать подачу газа при самопроизвольной остановке двига142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
теля.
Типы основных конструкций газодизельных систем подразделяются в зависимости от способов смесеобразования и регулирования
(рис.3.4).
Рисунок 3.4 - Типы газодизельных систем
Предлагаемые отечественной промышленностью системы преимущественно используют внешнее смесеобразование,
как простой,
надежный и безопасный вариант газового оборудования. Часто
в
таких конструкциях используется эжекторный способ формирования газо-воздушной смеси и ее качественное регулирование.
Эжекторная газодизельная система, с качественным регулированем,
конструкции ВИМ-ВНИИГАЗ [198] (рис. 3.5), имеет ряд преимуществ:
а) малогабаритные узлы регулирования подачи газа и запальной дозы, простота конструкции;
б) минимальная доработка базового дизельного двигателя;
в) низкая трудоемкость регулировочных работ газодизельной системы;
г) отсутствие влияния газорегулирующей части на работу дизельной топливной аппаратуры при работе двигателя в дизельном режиме;
д) возможность поставки потребителю доработочного комплекта
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
с возможностью конвертации дизеля в газодизель непосредственно у
потребителя, например в условиях ремонтных мастерских сельскохозяйственного предприятия;
е) высокая надежность и низкая стоимость доработочного комплекта.
Рисунок 3.5 - Схема газодизельной системы ВИМ-ВН ИИГ АЗ:
1-смеситель; 2-газобаллонная установка; 3,5,13,14,15,20,23,25- трубопроводы; 4,6-расходный и наполнительный вентили; 7-заправочное устройство; 8механизм ограничения запальной дозы; 9-электромагнит; 10- датчик; 11-планка; 12рейка; 16-блок переключения режимов; 17-ТНВД; 18- механический регулятор; 19дозатор газа; 21,22–газовые редукторы низкого и высокого давления; 24электромагнитный газовый клапан; 26-панель индикации; 27-включатель газодизельного режима.
Газодизельная система ВИМ-ВНИИГАЗ работает следующим образом. Газовоздушная смесь образуется в смесителе 1 при смешивании отрегулированного механическим дозатором 19 количества газа и воздуха,
поступающего из воздушного фильтра. КПГ хранится под давлением 20
МПа в газобаллонной установке 2, и при открытом вентиле 4 поступает в
газовый редуктор высокого давления 22, где давление снижается до 0,8…1
МПа. При включении электромагнитного газового клапана 24, газ поступает в газовый редуктор низкого давления 21, в выходном патрубке которого поддерживается давление 0…200 Па. Запальная доза дизельного топлива включается механизмом 8, который фиксирует положение рейки
ТНВД.
Всережимное регулирование подачи газа и дизельного топлива
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обеспечивает механический регулятор 18.
Исследования эксплуатационных качеств газодизельных тракторов
с данной системой показали необходимость коррекции крутящего момента
[114], [182]. На основе проведенных исследований [254], ВИМ предложена
модернизированная эжекторная газодизельная конструкция, корректирующая снижение крутящего момента повышением запальной дозы [208].
Несмотря на большую эффективность, практического применения данная
конструкция пока не нашла, в связи с большей сложностью изготовления
и массово-габаритными показателями.
Конструкция, разработанная ЗАО «Автосистема» совместно с ГНУ
ВИМ, аналогична системе ВНИИГАЗ и отличается лишь использованием
двух параллельно включены газовых редукторов высокого давления вместо одного [225].
Инжекторная система с качественным регулированием, разработанная ЗАО «Автосистема» совместно с ЗАО «Газомотор», осуществляет
инжекторный впрыск газа во впускной коллектор, при помощи специальных электромагнитных газовых форсунок. Регулирование подачи газа в
этой системе производится нормированием времени включения электромагнита газовой форсунки. Регулирование запальной дозы осуществляет
электропривод рейки ТНВД. Общее управление элементами системы выполняет микропроцессорный электронный блок [31].
Инжекторная конструкция с качественным регулированием, разработанная ОАО «Дизельавтоматика» совместно с ГНУ ВИМ, осуществляет
регулирование подачи газа скоростным импульсным газовым клапаном,
время включения которого нормирует микропроцессорный электронный
блок. Запальная доза включается электронным блоком при помощи пневмопривода с использованием давления газа [208], [226].
Конструкция ЗАО «Газомотор», НПФ «ЭКИП» [31] - инжекторная,
с качественным регулированием и распределенным фазированным
впрыском газа при помощи скоростных газовых электромагнитных клапанов – форсунок. Данная конструкция осуществляет динамическую регулировку запальной дозы при помощи электропривода. Особенностью конструкции является оригинальный безмембранный газовый редуктор среднего давления с электронным регулированием давления газа в выходном
штуцере. Микропроцессорный блок выполняет функции регулирования и
управления.
Такие конструкции обеспечивают более точное регулирование состава битопливной смеси в сравнении с простыми эжекторными системами с механическим регулированием [198], но являются сложными
микропроцессорными устройствами, имеющими высокую стоимость.
Зарубежные газодизельные системы характеризуются
применением специальных электронных средств регулирования подачи топливных
компонентов [19, 31, 82, 308, 312]. В качестве примера можно привести
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
газодизельную топливную аппаратуру «Caterpiller 340 В», «Bombardir 12251-DF» и другие системы [31]. Для мощных стационарных газодизелей фирма «MAN B&W Diesel» [19] разработала трехрежимную газодизельную систему питания со следующими основными режимами работы
(рис. 3.6): дизельный режим; обыкновенный газодизельный режим; специфический газодизельный режим.
а
б
Рисунок 3.6 - Зависимость подачи газа и дизельного топлива от нагрузки в
обыкновенном (а) и специфическом (б) режимах газодизельной системы
Рисунок 3.7
- Схема эжекторной газодизельной системы фирмы GN
Group
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Режимы работы предполагают разную степень замены дизельного
топлива природным газом. Большую степень замены дизельного топлива
природным газом обеспечивает «обыкновенный» газодизельный режим.
Такой принцип регулирования используют большинство отечественных
конструкций [198, 206 - 208, 223, 225]. По данным фирмы «MAN B&W
Diesel», «специфический» газодизельный режим рекомендуется использовать в условиях ограниченных объемов максимального газопотребления газодизелем.
Концерн GN Group (Аргентина) разработал эжекторную газодизельную систему питания с механическим регулированием подачи газа
педалью акселератора (рис. 3.7). Согласно этой схеме, запальную дозу подает штатный дизельный ТНВД, при этом включение ограничения запальной дозы производится механизмом, приводимым давлением газа. По данным фирмы, эта система успешно применяется на автомобильных газодизелях. Следует отметить, что эта простая конструкция не применима для
тракторов, так как не имеет всережимного регулятора подачи газа.
Фирма "Wesport" (Канада) разработала газодизельную систему с
внутренним смесеобразованием и непосредственным впрыском газа в цилиндр. Основой системы является созданная фирмой комбинированная газодизельная электронно-управляемая форсунка (рис.3.8), в которой происходит предварительное смешение дизельного топлива и природного газа.
Смесь впрыскивается в цилиндр двигателя по дизельному циклу. Газ
предварительно сжимается (до 30 МПа) специальным гидравлическим насосом высокого давления, охлаждается и аккумулируется в специальной
емкости. Доработка самого двигателя заключается в установке специальной форсунки фирмы Westport на место штатной.
Рисунок 3.8 - Упрощенная схема инжекторной газодизельной системы фирмы "Wesport"
Поскольку в данной системе не происходит вытеснения части воздуха газом (как в системах с внешним смесеобразованием), она обеспечи147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вает наилучшие показатели по использованию энергетики газового топлива. Смешение внутри цилиндра природного газа с запальной дозой дизельного топлива существенно улучшает протекание процесса сгорания.
Работа на бедных смесях в такой системе позволила достичь хороших результатов по токсичности без применения нейтрализаторов.
Процесс сгорания газодизельной смеси изучался рядом исследователей и описан в литературе [82], [136], [182], [183], [187], [188]. В [82]
предложена физическая модель с неравномерно распределенным битопливным зарядом в цилиндре. Это явление представляет собой динамическую картину появления множественных очагов первоначального воспламенения запального дизельного топлива в газовоздушной смеси с дальнейшим объемным развитием областей высоких температур (рис.3.9).
Рисунок 3.9 - Схема образования газодизельной смеси в камере сгорания газодизеля
Согласно этой схеме, камеру сгорания газодизеля можно рассматривать как объем, разделенный по характеру распределения топлива на
три зоны с различными значениями коэффициента избытка воздуха (α):
1. Газовоздушная смесь и остаточные газы ( α > 2,0 ).
2. Область горения с изменяющимися соотношениями «газовоздушная смесь – топливо» (0,35 < α < 2,0 ).
3. Переобогащенное ядро топливного факела ( α < 0,35 ).
Конфигурация объемов областей сгорания и динамика их изменения в функции от угла поворота коленчатого вала влияют на общее тепловыделение в камере сгорания. Работа газов на такте расширения может
быть определена из первого закона термодинамики для обратимых процессов [164]:
рdV =dQисп - dU
(3.1)
где pdV – работа газов, Дж;
148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дж;
dQисп – количество теплоты, используемое для производства работы,
dU – увеличение внутренней энергии газов, Дж .
dQисп = dQвыд − dQw ,
(3.2)
где dQвыд – количество теплоты, выделившееся при сгорании, Дж;
dQw –количество теплоты, переданное стенкам цилиндра, Дж.
По данным [52], [82], [116] на эффективность рабочего процесса
сгорания газодизеля влияние оказывают следующие основные параметры:
- частота вращения коленчатого вала двигателя, с зависимыми
от нее избыточным давлением впрыска запальной дозы ДТ иинтенсивностью процессов битопливного смесеобразования в камере сгорания;
- коэффициент наполнения;
- теплотворность смеси, определяющая коэффициент избытка воздуха α и скорость сгорания;
- относительная запальная доза ДТ, снижение которой ухудшает
процесс, так как уменьшается продолжительность впрыска, увеличивается
средний диаметр капель, уменьшается объем области инициализации процесса сгорания с 0,35 < α < 2,0;
-степень гомогенности газо - воздушной смеси (для газодизеля с
внешним смесеобразованием).
Так как параметры газодизельного процесса в значительной степени зависят от конструкции газодизельной системы и используемого способа регулирования, большой интерес представляют работы по экспериментально- теоретическим исследованиям параметров тракторных газодизелей, переоборудованных из дизельных моделей [114], [136], [156], [254].
Газодизельный процесс в таких конструкциях исследовался в ряде научноисследовательских организаций: (НАМИ, ЦНИДИ, КАДИ, ВНИИГАЗ,
МГАУ,
Вятской
ГСХА, РУДН, ВНИИГАЗ, ВИМ), научнопроизводственных фирм («Дизельавтоматика» «Автосистемы», «Инотек»).
По результатам исследований и технических разработок созданы опытные
образцы газодизельных двигателей [60]. Большой вклад как в разработку
простых эффективных тракторных газодизельных конструкций и технических рекомендаций переоборудования внесли исследователи ВИМ и
ВНИИГАЗ, создавшие газодизельные модификации распространенных в
сельском хозяйстве моделей тракторов [163]. В МГАУ созданы образцы
газодизельных двигателей для тракторов Т-25, Т-40М, МТЗ-82, предложена конструкция смешанного регулирования смеси [62]. В Вятской ГСХА
проведена модификация промышленного образца газодизельной системы
конструкции ГНУ ВИМ-ВНИИГАЗ с введением рециркуляции отработавших газов [60].
По данным [82], основная проблема эффективного использования
газового топлива в дизелях связана с его низким цетановым числом (ЦЧ)
величина которого составляет 3…8 единиц. Характерной особенностью
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
процесса сгорания является первоначальная задержка самовоспламенения
газовоздушной смеси, с последующим значительным увеличением скорости нарастания давления, при котором имеет место «жесткая работа»
двигателя
Эффективность циклового смесеобразования и самовоспламенения
газодизельной смеси определяется и оказывает влияние на среднее давление теоретического цикла, эффективный КПД двигателя, мощность и
крутящий момент.
Среднее давление теоретического цикла определяется зависимостью
[164]:
(3.3 )
А=1;
где Рt - cреднее давление теоретического цикла, МПа;
ηе - эффективный КПД двигателя;
А – термический эквивалент полезной работы газов, МДж/МН ⋅ м,
Q1 – количество теплоты при сгорании рабочей смеси, МДж;
Vh - рабочий объем цилиндров двигателя, м3.
Количество теплоты Q1 выделяющейся при сгорании смеси
можно определить по формуле
Q1 = Qcм ⋅ Gcм ⋅ η н ⋅ ε ,
(3.4)
где Qсм – теплотворность смеси, МДж/кг;
Gсм - масса заряда смеси, при наполнении рабочего объема в нормальных условиях, кг;
ηн – коэффициент наполнения;
ε – коэффициент полноты сгорания топлива.
Согласно [65], эффективный КПД двигателя для дизельного
режима определяется по формуле
(3.5)
где gе – удельный эффективный расход топлива, кг/ кВт·ч;
η ед - эффективный КПД двигателя в дизельном режиме;
Qнд- низшая теплота сгорания дизельного топлива, МДж/ кг.
По данным [37], Qнд = 42,5 МДж/ кг.
Учитывая то, что низшая теплота сгорания газодизельной смеси есть переменная величина, зависимая от относительной запальной
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дозы, расчет эффективного КПД газодизеля можно провести по формуле:
где ηег - эффективный КПД двигателя в газодизельном режиме;
(3.6)
Qнг - низшая теплота сгорания газа, МДж/кг.
По данным [60], Qнг =45,9 МДж/кг.
β – относительная запальная доза, (0 < β <1).
Рассматривая качественное регулирование, коэффициент наполнения в формуле (1.4) можно считать постоянной величиной, а коэффициент полноты сгорания ε, имеет значение близкое к 1. Теплотворность рабочей смеси Qсм регулирует газодизельная система питания в зависимости
от нагрузки на коленчатом валу, и при работе на установившемся полном
режиме Qсм можно определить в виде суммы
Qсм = Qсмг + Qсмд ,
(3.7)
3
где Qсмг – теплотворность газовоздушной смеси, МДж/м ;
Qсмд – теплотворность смеси воздуха и запальной дозы дизельного
топлива, МДж/м3.
Перечисленные параметры оказывают различную степень влияния
на эффективность газодизельного режима работы двигателя. Нормальная
скорость распространения пламени смеси дизельного топлива с воздухом составляет 30…48 м/с, а у смеси метана с воздухом она меньше на
25 %, и определяется величиной коэффициента избытка воздуха α.
Одним из путей совершенствования существующих и разработки
новых газодизельных конструкций,
является метод исследования параметров газодизельного режима с формированием на этой основе теоретических моделей регулирования подачи топлив. Техническое осуществление такого регулирования в разрабатываемом с учетом этих требований
техническом устройстве позволит повысить эффективность газодизеля.
Проектирование этого технического устройства предполагает выбор типа
управляющего и исполнительного регулирующих устройств. Подобные
конструкции регуляторов для дизелей описаны в [37, 51, 63, 82].
Управляющие регуляторы (рис. 3.10) по способу воздействия на исполнительное устройство можно разделить на два вида: прямого и непрямого действия.
Управляющий регулятор прямого действия [37] воздействует на
исполнительное устройство прямым воздействием, которое в неустановившемся скоростном режиме, в общем виде можно представить
функцией:
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
у1 =f (nз , nд , М кр ) ,
(3.8)
где у1 - управляющее воздействие на исполнительное устройство;
nз – заданная рычагом акселератора частота вращения коленчатого вала, мин-1;
nд – действительная частота вращения коленчатого вала, мин-1.
Рисунок 3.10 - Виды управляющих регулирующих устройств и закономерности регулирования
В отличие от регулятора прямого действия, регулятор
непрямого
действия имеет в своем составе дополнительное активное передаточное
устройство, которое в зависимости от конструкции может усиливать регулировочное воздействие, что повышает чувствительность регулятора и
точность регулирования [8]. При этом воздействие на исполнительное устройство можно представить функцией:
у 2 = К 1 ⋅f (n з , nд , М кр ) ,
(3.9)
где у2 - управляющее воздействие на исполнительное устройство;
К1 – коэффициент передачи передаточного устройства.
Формула (1.9) показывает, что чувствительность регулятора можно
повысить в К1 раз при наличии усиления в передаточном устройстве.
Известны конструкции передаточных устройств механического, пневматического, гидравлического типов. Каждому из перечисленных типов
свойственны недостатки. Это и достаточно большие габариты, затрудняющие размещение в моторном отсеке, сложность конструкции и недостаточная стабильность параметров. Одним из современных перспективных
направлений совершенствования регуляторов непрямого действия является создание электронно-механических устройств [82]. Взаимодействие их
электронных и механических узлов обеспечивает высокую точность регу152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лирования, малые габариты и стоимость устройства, высокую его надежность и стабильность параметров. Это подтверждает и зарубежная
практика [37], где электронно- механические системы управления двигателем нашли широкое применение.
В отличие от неустановившегося скоростного режима, в установившемся, заданная частота вращения равна действительной. В связи с
этим, теоретическую модель регулирования теплотворности смеси
можно
представить функцией:
Qсм = f11 (n, М кр ,η е ) ,...........................................(3.10)
При разработке новых систем регулирования, необходимо установить эту эмпирическую зависимость, отражающую свойства регулируемого битопливного процесса и типовую скоростную характеристику двигателя.
Регулирование подачи топлив для формирования механической характеристики газодизеля исследовалось в ряде работ:
Кухаренко П.М., при исследовании параметров газодизеля с эжекторной системой [146] доказал,что для повышения эффективности газодизельного двигателя, его механическую характеристику необходимо формировать на основании установленных особенностей процесса сгорания и
закономерностей всережимного регулирования конвертируемого двигателя. При таком подходе закономерность регулирования имеет вид:
G = f (n, M , η е ) ,..........................................(3.11)
где.G – часовая массовая общая подача топлива, кг/ч.
Колесник Ю.И . исследовал параметры инжекторной газодизельной
системы, где показал эффективность инжекторного способа внешнего
смесеобразования и эффективность ограниченной коррекции крутящего
момента газовым корректором [115]. Согласно этой работе, при
подаче газа в смеситель под избыточным давлением, происходит самокоррекция состава газодизельной смеси:
(3.12)
где Рг - давление газа перед смесителем, Па;
Gг , Gсм – часовая подача газа и смеси кг/ч;
α – коэффициент избытка воздуха.
Указанная самокоррекция и снижение α при снижении частоты
вращения коленчатого вала происходит в
системе с качественным регулированием вследствие уменьшения количества смеси, так как давление
подачи газа в смеситель не изменяется.
153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Протасов Д.Б. предложил для повышения эффективности регулирования абсолютной запальной дозыв тракторной газодизельной системе
[207], следующие закономерности ее изменения:
(3.13)
где Gд1 – часовая массовая подача дизельного топлива при работе
двигателя по регуляторной ветви характеристики, кг/ч;
Gд2 – часовая массовая подача дизельного топлива при работе двигателя по внешней ветви характеристики, кг/ч;
ао, а1 – постоянные коэффициенты.
Седелев К.П. исследовал параметры газодизеля при работе с эжекторной системой смешанного регулирования [243]. Высокая степень
гомогенности смеси в этой конструкции обеспечивалась в смесителе с
кольцевым газовым коллектором, аналогичным подобному узлу системы
ВИМ-ВНИИГАЗ.
Мустафаев М.Г. [178] исследовал подачу топлив тракторного газодизля Д-120 (Т-25А) и предложил модели оптимальной подачи газа и запальной дозы в эжекторной системе со смешанным регулированием. Он
справедливо считает, что способ битопливного регулирования можно выбрать при анализе уравнения регрессии модели рабочего цикла газодизеля.
Это уравнение может быть представлено в виде модели объекта исследования второго порядка [178] следующим образом:
..................(3.14)
где У- функция отклика;
xi, xj – регулировочные факторы, влияющие на функцию отклика;
аi, aij, aj – коэффициенты регрессии.
Согласно этих исследований, функциями отклика являлись:
мощность двигателя Ne, часовой расход топлива Gt, удельный расход топлива qe, часовые выбросы
оксидов азота NOx, оксида углерода CO и
углеводородов CnHm. Регулировочными факторами выбраны: коэффициент избытка воздуха α, запальная доза B, коэффициент наполнения ηv . При
таком подходе к выбору функций отклика и регулировочных факторов, не
представляется возможным оптимизация битопливного процесса для
улучшения формирования кривой крутящего момента скоростной характеристики двигателя, снижения расхода топлива и повышения коэффициента замены дизельного топлива на КПГ.
Бебенин Е.В. [19] исследовал параметры газодизельного режима и
обосновал требования к конструкции усовершенствованной топливной
154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
системы. Он применил при разработке новой газодизельной системы подход, при котором топливную систему проектируют по максимальной подаче топлив, для точки номинальной мощности двигателя. При таком
подходе к модернизации конструкции, закономерностям регулирования подачи топлив уделено недостаточное внимание, что не позволяет
в полной мере повысить ресурсосбережение энергосредства.
В работе [182] исследовались функции регулирования подачи газа
в эжекторной системе ВИМ-ВНИИГАЗ:
Исследования регулирования подачи
газа в
эжекторной системе проведены с использованием параметров стендовых испытаний газодизельного К-701 с двигателем ЯМЗ-240Б [224]. В данной системе, регулирование подачи газа выполняет дозатор (рис.3.11), а формирование газо – воздушной смеси осуществляется в смесителе, представляющем собой трубу Вентури (рис. 3.12), в которой под действием воздушного потока возникает перепад статических давлений.
Рисунок 3.11 – Схема дозатора газа с механическим управлен ием
Рисунок 3.12 - Схема работы эжектора – смесителя
155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Требуемая закономерность регулирования подачи газа формируется от комплексного влияния следующих факторов.
1. Закономерности изменения разрежения в эжекторе – смесителе при изменении скорости проходящего через него воздушного потока.
2. Закономерности изменения сопротивления газовому потоку в дозаторе газа.
3. Закономерности изменения давления газа на выходе из газового редуктора низкого давления.
Для проверки эффективности регулирования подачи газа в этой
системе, определена закономерность расчетной подачи газа, из условия
равенства эффективного КПД дизельного и газодизельного режимов. Выявлено, что закономерности регулирования
расчетной и
действительной подачи газа существенно различаются, а
имеющее
место
-1
снижениеGг на участке с частотами вращения n=1450...1000 мин , вызывает снижение крутящего момента газодизеля. Для
выявления комплексного влияния неизвестных функций на параметр Gг, проведен расчет графиков изменения давления газа в газовыводном патрубке редуктора низкого давления (РНД) с учетом статической характеристики изменения давления с увеличением расхода газа (газовый редуктор 116.4404010-60).
Рисунок 3.13 - Зависимости действительного Ррнд и расчетного Ррнд
р значений давления газа от частоты вращения коленчатого вала
Результаты расчета представлены в виде графиков Р рнд = f (n) , по156
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
казанныхна рис. 3.13. Кривая отклонения действительного значения давления от расчетного ΔРд на этом графике и ось абсцисс образуют области
недостаточной и избыточной подачи газа. Эти отклонения показывают величину изменения давления необходимого для его коррекции на дозаторе газа. По своей конструкции механический дозатор газа является «пассивным» элементом, способным создавать в точках своего присоединения
лишь положительное падение давления. В связи с этим, в областях со значениями ΔРд<0, коррекция положения штока дозатора на данном входном
давлении не приведет к увеличению подачи газа. Динамическое же регулирование давления газа в выводном патрубке этой модели редуктора по
требуемой закономерности конструктивно невозможно.
Для повышения эффективности работы газодизельной системы необходимо изменение закономерности регулирования подачи газа и конструктивное усовершенствование элементов системы.
3.3 Пути повышения эффективности газодизельного режима
работы двигателя
Испытания газодизельных тракторных двигателей показали [110,
224], что независимо от типа двигателя и модели трактора газодизельному режиму свойственны отличия динамики изменения параметров (рисунки 1.28; 3.14) в сравнении с дизельным режимом. Так, крутящий момент в
газодизельном режиме (Мкр гдр) изменяется по кривой ВБГ (рис. 3.15 а) в
отличие от значения данного параметра дизельного режима (Мкр др, кривая
АБГ).
При эксплуатации газодизельного трактора, двигатель работает
как в дизельном, так и в газодизельном режиме, в одном и том же скоростном диапазоне частот вращения коленчатого вала и с равными частотами на номинальной
мощности. В связи с этим, снижение крутящего
момента газодизельного режима (область АБВ) относительно дизельного, приведет к снижению мощности двигателя на соответствующем участке характеристики (обычно при n<1500 мин-1).
Кроме снижения крутящего момента газодизельный режим имеет
сниженный в сравнении с дизельным режимом средний эффективный
КПД двигателя. Из рисунка (3.15 б) видно, что эффективный КПД газодизельного режима (εе гдр, кривая БЕВД) незначительно превышая данный
параметр дизельного режима (εе др , кривая АЕВГ) на участке ЕВ, снижен
на участках БЕ и ВД, что вызывает изменения часового расхода топлива.
Динамика изменения часового расхода топлива (рис. 3.14), в среднем характеризуется общим повышением, имеющем место, как на полных, так и
на частичных нагрузках. В то же время в точке номинальной мощности,
как правило, общий расход снижается.
157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При сравнении с аналогичным параметром дизельного режима
(Gt др, участки ДБВ и ЖЗ), увеличение общего часового расхода топлива
газодизеля (Gt г др) происходит на участках: АБ при работе на частичных
режимах регуляторной ветви нагрузочной характеристики и ЕЖ внешней
ветви. Это приводит к увеличению удельного расхода топлива и способствует снижению эффективности технологического процесса,
выполняемого газодизельным энергосредством.
Рисунок 3.14 - Динамика изменения крутящего момента двигателя (а) и его эффективного КПД (б) в зависимости от частоты вращения коленчатого вала в дизельном и
газодизельном режиме
Рисунок 3.15 - Динамика изменения часового расхода топлива в дизельном и газодизельном режиме в зависимости от частоты вращения коленчатого вала
158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Перечисленные недостатки газодизеля вызваны комплексным
влиянием двух основных факторов: динамикой изменения эффективности
газодизельного рабочего процесса сгорания и точностью регулирования
теплотворности и состава смеси газодизельной системой в соответствии со
скоростным режимом и нагрузкой двигателя.
Повысить эффективный КПД газодизеля возможно следующим
образом:
1. Оптимизацией диапазона изменения скоростного режима газодизеля.
2. Интенсификацией процессов битопливного смесеобразования.
3. Оптимизацией динамики изменения коэффициента наполнения.
4. Повышением гомогенности газовоздушной смеси улучшением
внешнего смесеобразования при избыточном давлении газа, поступающего в смеситель.
5. Оптимизацией регулирования теплотворности смеси и запальной
дозы дизельного топлива
Среди перечисленных мер, оптимизация скоростного режима ограничена техническими требованиями к двигателю, а интенсификация битопливного смесеобразования в камере сгорания с сохранением существующей системы дизельной топливоподачи, качественного регулирования
и конструкции камеры сгорания, затруднена [56].
Изменение коэффициента наполнения приводит к необходимости
перехода к смешанному регулированию и значительно усложняет конструкцию газодизельной системы [82].
Обеспечение функционирования технологического процесса возможно лишь при наличии достаточного уровня необходимых входных параметров. Это определяет состав, условия работы МТА и процессы, происходящие в его структуре. В качестве примера можно привести упрощенную схему работы МТА при выполнении технологических процессов
почвообработки. Его ядром являются процессы выработки энергии трактором и ее потребления сельскохозяйственной машиной при выполнении
технологической операции. Эта структура представлена в виде объекта,
связанного с внешними условиями комплексом входных и выходных параметров (рис. 3.1).
Технологический порядок выполнения механизированной операции
предполагает работу МТА в основное и вспомогательное время. Такой характер выполнения технологического процесса сопровождается работой
двигателя во многих режимных точках как на холостом ходу при остановках, так на частичных и полных режимах. В зависимости от величины потребления мощности сельскохозяйственной машиной, в битопливной системе происходит формирование смеси, методом раздельного регулирования подачи топлив.
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.16 – Схема повышения эффективности технологического процесса
В процессе функционирования МТА появляются выходные параметры, характеризующие его эффективность.
Согласно приведенной модели, важным критерием повышения
эффективности МТА при условии сохранения производительности работ и их качества, являются параметры ресурсосбережения, показателем которых являются удельные приведенные затраты (Сп).
В их состав входят затраты на топливо, которые для битопливного режима определяются ценами топлив, их общим расходом и относительным массовым соотношением. Такое соотношение для газодизельного режима можно характеризовать коэффициентом замены дизельного топлива.
Снижение приведенных затрат за счет входящих в них затрат на
топливо, возможно при изменении основных входных параметров и их
оптимизации по следующей функции:
Сп=f(Qсм, n, Mкр, Кзт ...)→min, (3.15)
где Qсм-теплотворность битопливной смеси, МДж/кг;
Кзт- коэффициент замены топлива.
3.4 Повышение эффективности использования МТА с газодизельными тракторами
Повышение эффективности использования МТА при
выполнении
технологических процессов можно оценить снижением затрат и удельного
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
расхода топлива, на котором эксплуатируется энергосредство. В общем
виде, удельные затраты на топливо для дизельных энергосредств, можно
представить зависимостью:
(3.16)
где Стд- удельные затраты на топливо дизельного энергосредства, руб/га;
Wч-производительность, га/ч;
Gtр, Gtх, Gtр – соответственно, часовой расход топлива энергосредства при рабочем, холостом ходе, остановке агрегата, кг/ч;
Цт – цена топлива, руб/кг;
Тр, Тх, То – продолжительность работы двигателя энергосредства на данных режимах, ч.
Эти затраты для газодизельного режима работы двигателя учитывают значения расходов двух топлив в режимных точках:
(3.17)
где Стг д – удельные затраты на топливо в газодизельном режиме,
руб/га;
Цг , Цдт – цена газа и дизельного топлива, руб/кг;
Gг р , Gг х , Gг о , Gдр , Gдх , Gдо- часовой расход газа и дизельного
топлива при рабочем и холостом ходе, остановке агрегата, кг/ч.
Соотношения подачи топлив в газодизельном режиме характеризует коэффициент замены дизельного топлива.
(3.18)
где Gг, Gд – соответственно, часовой расход газа и дизельного
топлива, кг/ч.
После преобразований формул (2.3) и (2.4) получена зависимость удельных затрат на топливо для одного из i режимов работы двигателя при рабочем ходе агрегата
(3.19)
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Wчi- часовая производительность МТА для i – режима, га/ч;
qеi – удельный расход топлива, кг/кВт·ч;
Nеi – эффективная мощность двигателя, кВт.
При выполнении технологических процессов, требуемая мощность двигателя для соответствующего режима при постоянных значениях удельного тягового сопротивления с.х. машины, ее ширины захвата и глубины обработки определяется зависимостью
(3.20)
где ηт- тяговый КПД трактора;
Кv - удельное тяговое сопротивление с.х. машины, кН/м;
bм - ширина захвата с.х. машины, м;
V - скорость обработки, м/с.
С учетом этой зависимости, а также множества i режимов холостого хода при разворотах, поворотах и технологических остановках агрегата, преобразованием формул (2.5) и (2.6) получена модель повышения эффективности МТА.
где qеi , qеj – соответственно, удельный расход топлива г/кВт·ч;
Vi , Vj - скорость МТА, м/с;
Кзтi, Кзтj - коэффициент замены топлива;
nj - частота вращения, мин-1;
Тi, , Тj - время работы двигателя в режимных точках рабочих ходов
и вспомогательных движений с технологическими остановками, ч.
При соблюдении агротехнических требований для заданного технологического процесса, одинаковых способах движения агрегатов и режимов
работы двигателя энергосредства, приведенная модель (2.7) позволяет определить более эффективный агрегат по критериям повышения коэффициента замены топлива и снижение удельного расхода.
Исходя из этого, для регулирования смеси, обеспечивающего экономичность двигателя, необходимо, чтобы значение параметров Кзт и ηе в
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
каждом режиме работы двигателя имели максимальное значение. В
тематическом виде это можно представить системой уравнений
ма-
(3.22)
Однако параметры работы двигателя трактора характеризуются
еще и частотой вращения коленчатого вала, коэффициентом загрузки
двигателя и др., то есть представляют собой режимные точки закономерно
закономерности регулирования подачи топлив, количества и теплотворности битопливной смеси. Эффективное регулирование подачи топлив характеризуются тем, что в каждой режимной точке скоростной характеристикисуществует оптимальное значение теплотворности битопливной смеси, при котором выполняется условие:
(3.22)
Оптимизация регулирования битопливного процесса требует
учета систем ограничения варьирования факторов (рис. 3.17).
Рисунок 3.17 - Система ограничений изменения критериев оптимизации
Система ограничений критериев оптимизации учитывает основные технические и эксплуатационные требования к закономерности регулирования
теплотворности смеси. Оптимизация регулирования снижает расход топ163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лива, повышает коэффициент замены дизельного топлива, чем оказывает прямое влияние на снижение приведенных затрат. Повышение
эффективности регулирования битопливной смеси требует понимания
физической модели этого процесса.
Физическая модель процессов регулирования смеси и мощности газодизеля (рис. 3.18), определяет направления исследований для
поиска путей повышения эффективности двигателя.
Рисунок 3.18 - Физическая модель процессов регулирования смеси и
мощности газодизеля
Ядром физической модели является регулирующее устройство,
управляющее теплотворностью смеси и рабочий процессом сгорания посредством исполнительных регулирующих устройств, изменяющих подачу
топлив. Эта модель рассматривает рабочий процесс сгорания битопливной смеси как «неизвестный процесс», определяющий динамику изменения базовых параметров газодизеля, при этом модель позволяет определить следующее:
1. Критерием оптимизации процессов регулирования смеси является крутящий момент Мкр. Этот базисный параметр, в типовом для
данной модели двигателя диапазоне частот вращения коленчатого вала,
определяет мощность двигателя и тяговые эксплуатационные параметры
трактора.
2. Основными факторами, влияющими на рабочий процесс сгорания
164
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и соответственно на крутящий момент, являются величина запальной дозы
дизельного топлива В, частота вращения коленчатого вала n и количество
подаваемого газа Gг. При этом подача топливных компонентов влияет на
процесс изменением теплотворности смеси Qсм.
3. Динамику изменения параметров рабочего процесса сгорания
можно определить, используя «контрольные точки» для измерения величин подачи топлив, и измеряя частоту вращения коленчатого вала, при этом будет исключено влияние регулирующих функций газодизельной системы.
4. Рабочий диапазон варьирования факторов, имеющий на полном
режиме работы двигателя наибольшую величину.
Согласно данной физической модели, основными способами повышения эффективности газодизельного режима являются:
а) повышение эффективности рабочего газодизельного процесса
сгорания;
б) оптимизация закономерности регулирования теплотворности
смеси в пределах рабочего диапазона частот вращения коленчатого вала
с учетом эксплуатационных требований к двигателю и субъективных
свойств газодизельного рабочего процесса сгорания, как регулируемого
объекта.
3.5 Теоретическая модель регулирования теплотворной
способности смеси
Из литературы [124] известно, что при условии работы регулятора и фиксации положения рейки в диапазоне частот вращения коленчатого вала менее nном, теоретическая скоростная характеристика объемных цикловых подач ТНВД представляет собой две прямые (рис
3.24): АБ в безрегуляторной ветви и БВ в регуляторной. Наклон данных прямых к оси абсцисс вызван следующими факторам
- утечкой дизельного топлива из-за недостаточных параметров
гидравлической плотности плунжерных пар и снижения поступательных скоростей плунжеров с уменьшением частоты вращения - для линии АБ;
- типовым наклоном регуляторной ветви в соответствии с техническими требованиями к двигателю для линии БВ.
Приразработке модели абсолютной массовой запальной дозы необходимо определить аналитические зависимости часовой массовой
подачи дизельного топлива в контрольных точках. Разработка модели
проведена с учетом особенностей работы газодизельного ТНВД ЯМЗ240 с установленным на нем механизмом включения запальной дозы.
165
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
АБ и БВ – линейные зависи мос ти
Рисунок 3.24 - Теоретические зависимости цикловых подач дизе льн ого топлива
секциями ТНВД от частоты вращения коленчатого вала
На основании теоретических исследований и эксплуатационных
требований сформулированы следующие требования к модели:
1. Модель должна быть рассчитана при абсолютном значении
цикловой объемной подачи запальной дозы дизельного топлива qц
= 25…30 % от полной цикловой объемной подачи дизельного режима в точке номинальной мощности (qцдр= 89,6 мм3/ц). При этом данное значение запальной дозы должно учитывать снижение цикловой
подачи, возникающее из – за уменьшения оборотов кулачкового вала
ТНВД в пределах безрегуляторной ветви характеристики цикловых подач. Это связано с особенностью конструкции газодизельной системы,
так как в ней используется способ включения запальной дозы методом «фиксированного» ограничения хода рейки.
2. Модель должна обеспечивать минимальное значение абсолютной объемной
запальной дозы при работе
двигателя на минимальной частоте вращения коленчатого вала (1200
мин-1) не менее qц = 15 %. (для улучшения условий работы распылителей форсунок).
3. Модель должна обеспечивать наклон регуляторной ветви характеристики регулирования объемных цикловых подач запальной дозы дизельного топлива, и на максимальных оборотах холостого хода
166
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
минимальное значение абсолютной запальной дозы должно быть не
менее В1= 12 % (для улучшения условий работы распылителей форсунок).
Расчеты проведены в контрольных точках по формуле:
(3.47)
Таблица 3.2 – Параметры запальной доз ы
№
контрольн
ой точки
1
1000
Абсолютная
объемная
запальная
доза,
%
17
2
1900
28
25,1
14,42
28
3
2100
12
10,7
6,79
13
Обороты коленчатого
вала, мин -1
Цикловая
объемная
подача,
мм3/ц
15,23
Часовая
массовая подача,
кг/ч4,61
Абсолютная
массовая
запальная
доза, % 9
Математическая модель регулирования абсолютной часовой массовой запальной дозы дизельного топлива представляет собой функцию
у11 = а0 + а 1 х ,
(3.48)
на участке характеристики в диапазоне частот вращения коленчатого вала
1000…1900 мин-1,
у12 = с0 + с 1 х ,............................................(3.49)
на участке характеристики в диапазоне частот вращения коленчатого вала
1900…2100 мин-1.
где а0, а1, с0, с1 – постоянные коэффициенты.
у11, у12 – абсолютная массовая запальная доза, % от часового массового расхода топлива на номинальной мощности.
По результатам расчетов, искомые уравнения (3.48) и (3.49) примут
вид:
а) на участке характеристики в диапазоне частот вращения коленчатого вала 1000…1900 мин-1
у11 = 0,0211⋅ n − 12.1, ............
(3.50)
б) на участке характеристики 1900…2100 мин-1
у12 = −0,075 ⋅ n + 170,5 ,
167
(3.5)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Так как в газодизельном режиме теплотворность рабочей
смеси создают два топливных компонента, различных по своим физическим и химическим свойствам, модель часового расхода топлива в
газодизельном режиме должна это учитывать.
После преобразований формулы (3.42) с принятием допущения
о равенстве объемов воздуха и топливо - воздушной смеси и их плотностей, получена зависимость часовой массовой подачи топлива в дизельном режиме:
............................(3.52)
Данная формула не учитывает характер внешнего смесеобразования, используемого битопливным газодизельным циклом, так как в цилиндр газодизеля поступает газовоздушная смесь, в которой часть объема воздуха замещена природным газом, а масса смеси уменьшилась на
величину:
(3.53)
где ΔG – масса воздуха, вытесненного природным газом при
внешнем смесеобразовании, кг/ч;
Низшая теплотворная способность смесевого топлива газодизеля не является постоянной величиной, так как зависит от относительной запальной
дозы дизельного топлива:
(3.54)
где Qн, Qнд, Qнг – соответственно, низшие массовые теплотворности смесевого, дизельного топлива и газа, МДж/кг.
После преобразования формулы (3.32) с учетом вытеснения
части объема воздушного
заряда
природным
газом и
изменения
низшей теплотворной способности битопливной
смеси вследствие определенного процентного соотношения топливных
компонентов (относительной запальной дозы) получена зависимость:
168
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(3.55)
Так как в формуле (3.55) имеется два неизвестных параметра: Gt
и В, а регулирование Gt должно учитывать закономерность изменения
абсолютной
запальной дозы, для решения составлена система уравнений:
(3.56)
где В1- абсолютная запальная доза дизельного топлива, %;
Gtном – массовый часовой расход дизельного топлива при номинальной мощности в дизельном режиме, кг/ч.
Решение системы уравнений (3.56) выполнено следующим образом.
Умножив обе части уравнения на 1/Gt и учитывая, что при значении
дроби равном 1 числитель равен знаменателю, получено равенство:
(3.57)
В равенстве (3.57), в подобных слагаемых содержащих произведение
Gt·B проведена его замена выражением Gtном·B1 и после преобразований получено решение, имеющее вид:
169
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(3.58)
С учетом полученной зависимости разработаны модели регулирования подачи газа на разных скоростных режимах работы.
Модель регулирования подачи газа в диапазоне оборотов коленчатого вала
n = 1000…1900 мин-1,
представляет
собой разность общего часового массового расхода топлива и абсолютной запальной дозы:
а) в общем случае:
б) в частном случае для ЯМЗ-240Б:
Модель регулирования подачи газа в диапазоне оборотов коленчатого вала n =1900…2100 мин-1 :
а) в общем случае:
б) в частном случае для ЯМЗ-240Б:
170
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Теоретические значения общего расхода топлива Gt и часового
расхода газа Gг дизельного топлива Gд для ЯМЗ-240Б представлены
графически (рис.3.25) и в таблице (приложение 3).
Рисунок 3.25 - Закономерности регулирования часовой массовой подачи
топлив от частоты вращения коленчатого вала
3.6 Разработка дополнительных требований к эффективной
газодизельной системы и исследование параметров газодизельного
режима
Проведенные теоретические исследования позволили сформировать
дополнительные требования к газодизельной конструкции:
1. В соответствии с физической моделью процессов регулирования смеси, общий управляющий регулятор в газодизельной конструкции
должен иметь ветвь обратной связи для контроля действительной частоты
вращения коленчатого вала.
171
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Конструкция газодизельной системы должна осуществлять регулирование подачи газа и дизельного топлива в соответствиис теоретическими моделями.
Для достижения поставленной цели по повышению эффективности
МТА требуется экспериментальное подтверждение эффективности предложенных моделей регулирования подачи топлив и создание усовершенствованной битопливной конструкции для трактора К-701, осуществляющей
такое регулирование.
Основной задачей экспериментальных исследований являлась
оценка параметров ресурсосбережения при выполнении МТА с усовершенствованной битопливной системой традиционных операций почвообработки.
Дополнительной задачей экспериментальных исследований являлась оценка эффективности газодизельного процесса в обусловленном
эксплуатационными требованиями диапазоне изменения частот вращения
коленчатого вала и характера загрузки двигателя.
Рисунок 3.26 - Схема испытательной установки
172
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 – весы; 2,3,5 – вентили газовые; 4 – рукав высокого давления; 6
– газобаллонная установка; 7 – газодизельный трактор К-701; 8 – карданное соединение; 9 – балансирная машина; 10 – аппаратура измерения
расхода дизельного топлива; 11,15 – топливопроводы дизельного топлива; 12,14 – сигнальные цепи электрооборудования испытательного
стенда; 13 – весовое устройство; 16 – бак с дизельным топливом; 17 –
пульт управления и индикации.
Программа исследований: предусматривала выполнение МТА
процессов почвообработки в дизельном и газодизельном режимах экспериментальным трактором с усовершенствованной газодизельной системой
К-701и расчет параметров ресурсосбережения для каждой операции.
Газодизельный процесс характеризуется мощностными и топливоэкономическими параметрами переоборудованного двигателя ЯМЗ-240Б,
для экспериментального определения которых, использована испытательная установка (рис.3.26).
Экспериментальная установка включает в себя испытуемый газодизельный трактор К-701 7, к которому через вал отбора мощности 8 подключена балансирная электромашина 9 с весовым устройством 13. К газобаллонной установке 6 посредством вентилей 2,3,5, подключен мерный
газовый баллон, установленный на весах 1. К трактору 7 подключена система подачи и измерения количества дизельного топлива, состоящая из
бака 16, аппаратуры измерения 10, трубопроводов 15 и 11.
Комплексное управление испытательной установкой осуществлял
пульт управления и индикации 17, подключенного посредством сигнальных цепей 12 и 14. Для проведения экспериментальных исследований использовалось измерительное оборудование, представленное в
таблице 3.3.
Таблица 3.3 - Перечень измерительного оборудования
Наименование технической задачи
Определение частоты вращения
коленчатого вала
Определение крутящего момента двигателя.
Определение расхода дизельного топлива.
173
Измерительное оборудование
Тахометр ТЧ10-Р, ГОС Т
21339-82
Балансирная машина МПБ49.3/36, аппаратура ИОПД
№
17.
Аппаратура ИОПД № 17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Определение массового расхода
компримированного природного газа.
Определение температуры жидкости в
системе охлаждения двигател я.
1. Мерный газовый
баллон БА-34-20254/882 ТУ 459100129416612-94.
2. Весы ВКМ-57
3. Вентили А-218 ISO
9001.
4. Секундомер СОС пр.
2
ГОСТ 5072-72,
аппаратура ИОПД №
Термометр
17. ТТ № 1797.
Основные параметры двигателя получены снятием регуляторной
характеристики газодизельного режима согласно ГОСТ 18509-88 [115].
После запуска двигателя ЯМЗ-240Б, рычаг акселератора устанавливался в
положение максимальной частоты вращения, включатель газодизельной
системы переводился в положение «Включено», а газовые вентили 3 и 5
в положение «Открыто». Процесс снятия характеристики заключался в
проведении ряда опытов, с последовательным увеличением механической нагрузки на двигатель, при частотах вращения коленчатого вала от
максимальной холостого хода, до точки номинальной
мощности.
Дальнейшее увеличение нагрузки позволяло фиксировать максимальный крутящий момент.
Массовый расход компримированного природного газа в газодизельном режиме работы
двигателя определялся временем расходования контрольной навески газа, потребляемого из мерного газового
баллона, установленного на весах, по формуле:
(3.64)
где Gг – часовой массовый расход газа, кг/ч;
Gкнг – контрольная навеска газа, г;
Топ – время расходования контрольной навески газа, с.
Характеристика снималась по контрольным точкам, которые определялись в следующем порядке. Нагрузив двигатель до заданного
скоростного режима, поддерживали нагрузку постоянной до окончания опыта. Продолжительность эксперимента определялась
временем
расходования контрольной навески дизельного топлива и газа при проведении 3 опытов. Среднее значение параметров контрольной точки фиксировалось в журнале испытаний. В ходе снятия характеристики, кроме
174
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мощностных и топливо – экономических параметров, фиксировались
точки автоматических переключений режимов работы двигателя, выполняемых газодизельной системой. Расчеты теплотворности смеси и
эффективного КПД двигателя проводились соответственно по формулам (3.24) и (3.28). Полученные результаты сведены в таблицу (приложение 4)
Методика проведения эксперимента по проверке эксплуатационной
эффективности способов коррекции крутящего момента газодизельной
системой предусматривала следующие условия работы трактора:
- трогание трактора с места без с.х. машины;
- трогание трактора с места с с.х. машиной;
- выполнение поворотов с с.х. машиной;
- проведение технологической операции по вспашке с навесным
плугом;
- перегрузка трактора в составе агрегата с плугом при выполнении вспашки при частоте вращения коленчатого вала менее 1200
мин-1, на полном режиме работы двигателя.
Эксперимент проводился при включении и отключении коррекции
крутящего момента с использованием служебных функций газодизельной системы.
Предложенная практическая конструкция газодизельной системы
обладает всережимным регулятором. Процесс регулирования теплотворности смеси характеризуется наличием прямой и обратной связей регулятора и регулируемого объекта,
образующих замкнутый контур.
Такая схема осуществляет непрерывный контроль параметра критерия
оптимизации (Мкр ), и при бесконечно высокой чувствительности регулятора, способна регулировать Qсм по моделям, оптимальным для данного
субъективного процесса сгорания.
При разработке практических конструкций, реализовать бесконечно
высокую чувствительность регулятора не представляется возможным, а
влияние дополнительных неучтенных факторов приведет к отклонению
действительной закономерности регулирования от оптимальной. С
учетом этого, можно дать оценку эффективности нового регулятора, если
сравнить отклонения действительной и оптимальной закономерностей регулирования.
Мощностные параметры газодизельного режима (приложение 4),
полученные при испытаниях опытного трактора К-701 в графическом виде представлены на рисунке 3.26.
Скоростная характеристика имеет вид, подобный характеристике
дизельного режима. Из полученных графиков видно, что экспериментальные значения крутящего момента (Мкр э) близки параметрам дизельного режима, и превосходят значения, полученные с системой ВИМВНИИГАЗ (Мкр св), что обеспечивает обходимые эксплуатационные
175
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
свойства трактора. Для сравнения крутящего момента газодизеля, работающего с экспериментальной конструкцией системы регулирования,
проведен расчет
относительного коэффициента эффективности:
(3.65)
где Кэ1 - относительный коэффициент эффективности изменения
крутящего момента.
Рисунок 3.26 - Зависимость крутящего момента двигателя ЯМЗ-240Б от частоты вращения коленчатого вала
Относительный коэффициент эффективности новой конструкции в
диапазоне частот вращения коленчатого вала менее 1880 мин-1, изменяется от Кэ1 =1,04 до Кэ1=2,43, существенно увеличиваясь в корректорной
части внешней характеристики. Это подтверждает гипотезу об эффективности выбранных способов коррекции крутящего момента. Некоторое
снижение крутящего момента двигателя с экспериментальной системой
[66] на частотах более 1900 мин-1 объясняется изменением наклона регуляторной ветви вследствие особенностей регулировки дизельной топливной аппаратуры, так как точка номинальной мощности смещена с
n=1900 до 1880 мин-1.
Для выявления возможного повышения эффективности рабочего
процесса сгорания экспериментальная зависимость крутящего момента
176
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
была исследована полнофакторным экспериментом, с учетом влияния
на критерий оптимизации двух
основных влияющих факторов: частоты вращения коленчатого вала двигателя и теплотворности топливо воздушной смеси.
Результаты эксперимента обработаны методом статистического
анализа стандартным программным средством Statistica 6.0, с составлением уравнения
регрессии второго порядка в натуральном виде:
(3.66)
Регрессионный анализ модели приведен в приложении 5.
Поверхность отклика представляет собой «холм» и для определения
точки максимального значения критерия оптимизации проведено дифференцирование уравнения (3.43) по переменным n, Qсм, , в результате
получена система уравнений:
(3.67)
Решение системы уравнений (3.67) и подстановка значений n
и Qсм в уравнение регрессии (3.66) определяют точку
максимального
-1
крутящего момента: Мкр = 1215 Н·м при n=1298 мин и Qсм=1,890
МДж/кг.
Исследование поверхности отклика проведено методом двумерных сечений, при подстановке в уравнение регрессии (3.43) изучаемых факторов.
Из всех возможных сечений наибольший интерес представляют
те, которые характеризуют поверхность отклика, прилегающей к точке
максимального значения критерия оптимизации, а также в рабочем
диапазоне изменения частот вращения коленчатого вала. Данные сечения характеризуют действительный рабочий процесс
в исследуемом диапазоне варьирования частот вращения коленчатого вала, в котором необходимо определение областей эффективной работы. Критерием оценки области эффективной работы принято минимальное значение эффективного КПД двигателя не менее η е=30%, так как оно превышает параметры эжекторной системы (минимальное ηе=25%).
177
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а - Параметры экспериментальной конструкции; б - параметры системы
ВИМ-ВНИИГАЗ.
Рис. 3.27 - Зависимость крутящего момента и эффективного КПД газодизеля от частоты вращения коленчатого вала
Для проведения сравнительного анализа эффективности экспериментального газодизельного процесса уравнение регрессии представлено
проекциями линий равного выхода поверхности отклика (рисунок 3.27 (а))
и границами области точек значений крутящего момента с расчетным эффективным КПД двигателя (области ηе).Из рисунка видно, что в сравнении с процессом, осуществляемого системой ВИМ-ВНИИГАЗ, произошло
движение проекций линий равного выхода поверхности отклика и точки
экстремума в сторону начала оси ординат, а сама точка оптимального крутящего момента располагается в области корректорной ветви внешней характеристики, что улучшает эксплуатационные качества трактора. Такое
перемещение обозначает повышение эффективного КПД двигателя на исследуемом участке характеристики, так как область необходимых эксплуатационных значений крутящего момента перемещается в область более
высоки значений эффективного КПД (ηе=30% и ηе=35%). В сравнении с
этим, система ВИМ-ВНИИГАЗ не обеспечивает такой эффективности процесса сгорания, а максимальное значение критерия оптимизации отдалено
от рабочей области регулирования теплотворности смеси и частоты вращения коленчатого вала.
В связи с улучшением рабочего процесса сгорания у двигателя,
оборудованного усовершенствованной газодизельной системой, на участке 1000...1900 мин-1, проведен расчет значений Qсм опт, которые обеспечат
максимальное значение крутящего момента в точках скоростной характеристики двигателя.
178
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а - параметры системы ВИМ-ВНИИГАЗ; б - параметры экспериментальной
конструкции.
Рис. 3.28 – Зависимость действительных и оптимальных значений теплотворности смеси от частоты вращения коленчатого вала
Для этого, подставляя в уравнение регрессии (3.29) значения частоты вращения коленчатого вала, были получены уравнения для расчета текущего значения крутящего момента Мкр и проведено их дифференцирование. Решение полученных дифференциальных уравнений позволили определить параметры оптимальных значений теплотворности смеси Qсм опт
179
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в заданных точках. Результаты расчетов представлены в приложении 6.
Сравнение параметров систем регулирования (рис. 3. 27) показывает,
что в обоих случаях имеют место отклонения действительной закономерности изменения Qсм от оптимальной, но у экспериментальной конструкции эти отклонения меньше.Физическая картина, описывающая битопливный процесс формирования теплотворности смеси газодизельного двигателя, характеризуется тем, что Qсм в большей степени определяется подачей газа, чем дизельного топлива. Поэтому, отклонения от оптимального
регулирования теплотворности смеси в основном вызваны неоптимальной работой газового регулятора. Это позволяет утверждать, что существенные отклонения у системы ВИМ-ВНИИГАЗ (рис. 3. 28 а) в основном
вызваны несовершенством механического дозатора газа и механизма его
управления. В отличие от системы ВИМ-ВНИИГАЗ, газовый регулятор
экспериментальной конструкции работает с большей точностью (рис. 3.
28 б). Существенное отклонение действительной теплотворности от оптимальной на участке 1500...1200 мин-1 объясняется работой прямого газового корректора, однако при n<1200 мин-1, этот параметр снижается
вследствие включения дизельного режима.
Оценку эффективности работы общего регулятора можно дать при
сравнении расчетных значений коэффициентов вариации действительных
значений теплотворности смеси (Qсм аг с), с теоретическими оптимальными (Qсм экст). Расчетное значение коэффициента вариации для экспериментальной системы составило v1=9,7% (приложение 7), что значительно лучше данного параметра эжекторной системы с v2=78%.
Полученные экспериментальные параметры регулирования теплотворности смеси представляют собой пространственную модель, и в сравнении с предложенной теоретической моделью имеют отклонения в режимных точках (рис. 3.29). Рассчитанное значение коэффициента вариации экспериментальных значений Qсм составило v6 = 7,3% (приложение 8).
На этом рисунке средние значения параметров теоретической модели, представлены точками А1Б1В1Г1Д1. и полученные в ходе эксперимента - АБВГД. Проекции режимных точек и плоскости работы газового корректора, на общую плоскость А1В1Г1Д1 образует теоретическую кривую
средних значений теплотворности смеси.
Полученные экспериментальные точки располагаются на подобной проекции АВГД. Сравнение
экспериментальных и теоретических параметров показывает близкие значения параметров режимных точек АВГД и А1В1Г1 Д1 к общей плоскости
регулирования.
Конфигурация и площадь областей работы прямого газового
корректора модели и экспериментальной системы подобны, но пространственно разобщены, что вызвано большими значениями крутящего
момента, полученного в ходе эксперимента.
180
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.29 – Зависимость теплотворности смеси от частоты вращения коленчатого вала и
крутящего момента
Следует заметить, что динамика изменения параметров газодизельного процесса приводит к отклонению некоторых экспериментальных
точек от теоретических, но не приводит к нарушению устойчивости регулирования подачи топлив. В данном случае, всережимный регулятор
управляет теплотворностью смеси с учетом динамики изменения эффективного КПД, баланса крутящего момента и момента сопротивления, а
также заданной и фактической частоты вращения коленчатого вала. Такие
особенности работы регулятора подтверждают его соответствие дополнительным требованиям к конструкции системы.
Фактические общая подача топлива Gt , подача газа Gг, и дизельного
топлива Gд, полученные экспериментально, представлены в сравнении с
181
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
расчетными показателями моделей для соответствующих точек скоростного режима работы двигателя (рис. 3.30). Анализ графиков проведен расчетом коэффициентов вариации экспериментальных и теоретических параметров (приложения 9,10). Коэффициенты вариации экспериментальных
параметров соответственно составили:
- общего расхода топлива v3=9,3%
- расхода дизельного топлива v4=12,7%
- расхода газа v5=9,9%
Следует отметить, что при достаточно близких теоретических и экспериментальных значениях параметров подачи топлив, происходит их снижение при работе двигателя с предложенной системой. Это обусловлено повышением точности регулирования подачи топлив, обеспечивающей оптимальные значения теплотворности смеси для заданных скоростных режимов работы двигателя.
Рис. 3.30 – Зависимость подачи топлив от частоты вращения коленчатого вала
Представленные на графике зависимости подачи топлив показывают, что в диапазоне
частот вращения коленчатого вала ме-1
нее 1200 мин происходит автоматическое переключение режима работы двигателя с газодизельного на дизельный. Это отражается в изменении
характера кривых Gд, и Gг , Увеличение подачи дизельного топлива и смена режима на этом участке необходимы для поддержания крутящего момента по скоростной характеристике двигателя.
182
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приведенный анализ практически полученных экспериментальных
параметров подтверждает рабочую гипотезу о возможности повышения
эффективного КПД газодизельного двигателя до соответствующих значений дизельного. Основные параметры работы двигателя экспериментального трактора с разработанной газодизельной системой в сравнении с
системой ВИМ-ВНИИГАЗ представлены в таблице 3.4.
Таблица 3.4 - Параметры эффективности экспериментального К-701 со
различными конструкциями газодизельных систем повышение эффективности работы
двигателя с новой конструкцией системы регулирования.
Наименование параметра
Точка номинальной
мощности:
а) мощность, кВт б)
общий расход топлива, кг/ч
в) расход газа, кг/ч
г) расход дизельного
топлива, кг/ч
д) относительная
запальная доза, %
Точка холостого
хода:
а) общий расход
топлива, кг/ч
б) расход газа, кг/ч
в) расход дизельного
топлива, кг/ч
г) относительная
запальная доза, %
Суммарный
удельный расход
топлива, г/кВт·ч
Корректорный
коэффициент
запаса крутящего
момента, %
К-701 с
К-701 с экспериэжекторно й ментальн ой кон- Параметры эффективсистемой
струкцией
ности новой конструкВИМсистемы регулироции
ВНИИГАЗ
вания
192
49,1
198,6
44,5
27,7
32
21,4
43
12,5
28
21
12,4
13
9,4
8
3
38
24
повышение на 6,6 кВт
снижение на 4,6 кг/ч
повышение на 4,3 кг/ч
снижение на 8,9 кг/ч
снижение в 1,5 раза
снижение на 8,6 кг/ч
снижение на 3,6 кг/ч
снижение на 5 кг/ч
снижение в 1,58 раза
256
224
снижение на 32
г/кВт·ч
2
20
повышение на 900%
183
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.7 Экспериментальные исследования параметров МТА с газодизельными тракторами на операциях почвообработки и их техникоэкономическая оценка
Для осуществления коррекции крутящего момента и повышения
эффективного КПД газодизеля, разработан алгоритм работы системы подачи топлив (рис.3.31) в соответствии с которым, качественное регулирование происходит следующим образом. После запуска двигателя, всережимный регулятор проводит сравнение фактической частоты вращения коленчатого вала (nф) и заданной (nзад), которая устанавливается
с помощью рычага акселератора.
Рисунок 3.31 - Алгоритм работы системы регулирования битопливной смеси
В зависимости от соотношения указанных параметров производится включение частичного режима работы двигателя при следующем
условии:
nф > nзад − 150 ,
(3.69)
или полного, когда
nф <n зад− 150 ,
(3.70)
184
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Одновременно с этим автоматически переключаются режимы:
а) с дизельного на газодизельный при условии:
nф >1200 ,
(3.71)
б) с газодизельного на дизельный при:
nф <1200 ,
(3.72)
Трогание трактора с места происходит на частичном дизельном режиме работы двигателя. С увеличением частоты вращения коленчатого
вала более 1200 мин-1, система проведет переход на полный газодизельный режим с работой прямого газового корректора и дальнейшим
переходом через безрегуляторную и безкорректорную ветвь с полного на
частичный газодизельный по мере приближения фактической частоты
вращения к заданной.
При работе газодизеля в установившемся режиме, может значительно увеличиться нагрузка, вследствие чего начнется снижение частоты
вращения. Это вызовет переход с частичного газодизельного режима на
полный, а дизельная и газовая части всережимного регулятора синхронно
увеличат подачу топлив.
В каждой точке скоростной характеристики двигателя происходит
ограничение максимальной
подачи топлив согласно полученных
теоретических моделей. Если вызванное этим увеличение крутящего момента недостаточно, по мере снижения фактической частоты вращения
происходит переход через безрегуляторную ветвь в корректорную, где
прямой газовый корректор увеличивает подачу газа и крутящий момент.
Если и это дополнительное повышение крутящего момента недостаточно,
при дальнейшем снижении частоты вращения менее 1200 мин-1, режим
будет автоматически переключен на полный дизельный.
По преодолении нагрузки, частота вращения может увеличиться более 1200 мин-1, что приведет к автоматическому переходу на газодизельный режим. Учитывая необходимость технического осуществления
описанных Экспериментальные параметры, приведенные в таблице (3.5),
показали процессов, разработаны конструкции исполняющие данные технические решения: патенты № 55881 № 2308604 на полезную модель и
изобретение.
Для пропорциональной коррекции запальной дозы разработан также корректор подачи дизельного топлива патент № 2362026, не вошедший на данном этапе исследований в состав предлагаемой автоматической
системы.
Технические особенности регулирования эквивалентны протеканию
аналогичных процессов в дизельном режиме. Алгоритм работы предполагает выполнение регулирующих функций в областях частичных и полных
режимов работы двигателя. Перевод режимных точек система проводит
автоматически, в зависимости от коэффициента загрузки двигателя.
Динамика изменения нагрузок двигателя при проведении стен185
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
довых испытаний существенно отличается от условий практической эксплуатации трактора в составе МТА. В связи с этим, была проведена экспериментальная проверка эффективности способов коррекции крутящего
момента двигателя, которые были осуществлены в предлагаемой конструкции газодизельной системы. Результаты проверки помещены в таблицу 3.5.
Эксперименты проводились с включением и отключением служебной функции коррекции крутящего момента при выполнении сельскохозяйственных работ в составе МТА при равных эксплуатационных условиях.
Результаты испытаний показали, что эксплуатационные показатели
МТА с газодизельным трактором, оборудованным битопливной системой,
которая не осуществляет коррекцию крутящего момента, ухудшены. Это
затрудняет управление агрегатом, его маневренность и сопровождается
частыми ручными переключениями режимов работы двигателя и коробки передач для того, чтобы поддерживать
скорость движения и
производительность МТА при выполнении технологических операций.
При этом, увеличивается удельный расход топлива и нагрузки в трансмиссии трактора. Таким образом, экспериментально подтверждена эффективность технического решения и разработанных теоретических моделей, которые предусматривают коррекцию крутящего момента на различных режимах работы двигателя.
Таблица 3.5 Результаты эксперимента по проверке эффективности способов коррекции крутящего момента
Условия эксперимента
Трогание трактора с
места
без с/х машины.
Трогание трактора с
места
с
с/х
машиной. Выполнение поворотов с с/х машиной.
Работа системы без коррекции
крутящего момента
Трогание
в
газодизельном
режиме было возможно
без остановки двигаТрогание
в n>1200
газодизельтеля только при
мин -1 .
ном
режиме было возможно
без остановки двигателя только при n>1200 мин -1 .
Маневрирование затруднено
186
Работа системы с
коррекцией крутящего
момента
Трогание
с
места
проходило легко
при
-1
Трогание
n<1000 мин . с
места
проходило легко
при
n<1000
мин -1 .
Маневрирование проходило легко.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Проведение сельскохозяйственной операции
по вспашке с навесным
плугом.
Перегрузка трактора в
составе агрегата с плугом при выполнении
вспашки на рабочей
скорости при n<1200
мин -1 , на полном
режиме.
Выход агрегата на рабочую
скорость, а двигателя трактора на номинальную частоту
вращения, были возможны
лишь после трогания с места в
дизельном режиме с последующим увеличением n до
1200 мин -1 в дизельном режиме
и дальнейшим включением
газодизельного режима вручную.
При включенном газодизельном режиме происходила остановка двигателя. Дальнейшее выполнение операции в
данных условиях возможно
при принудительном включении дизельного режима.
Выход агрегата на рабочую скорость, а двигателя трактора на номинальную частоту вращения, после трогания с
места происходили в
дизельном режиме, с
последующим автоматическим включением
газодизельного режима.
При включенном
газодизельном режиме
происходило автоматическое переключение с
газодизельного на дизельный режим работы
двигателя с дальнейшим
продолжением выполнения операции в дизельном режиме, пока
частота вращения к.в.
была менее 1200 мин -1.
При повышении частоты вращения к.в. двигателя более 1200 мин-1 ,
автоматически включался газодизельный
режим.
При агрегатировании опытного К-701 (рис. 3.32) с сельскохозяйственными машинами и проведении контрольных смен, а испытуемым
агрегатам присваивались номера. При этом номера агрегатов
№1...№4 были присвоены трактору с модернизированной (пат. №
55881) системой ВИМ-ВНИИГАЗ, а №5...№8 экспериментальному, с
разработанной системой.
Снижение затрат на топливо МТА определялось по формуле:
(3.49)
Для сравнения эксплуатационных свойств трактора в ходе испытаний, производство работ проводилось в равных эксплуатационных
условиях, в газодизельном и дизельном режимах, переключение которых осуществлялось с помощью испытываемой конструкции.
187
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.32 – Схема экспериментальных исследований повышения эффективности МТА
Так как в практической эксплуатации работа трактора возможна
при различном коэффициенте загрузки двигателя и с разными сельскохозяйственными машинами, контрольные смены проводились с различными
агрегатами и работами, свойственными данному временному периоду годового плана механизированных работ.
При проведении эксплуатационно-технологических испытаний К701 агрегатировался с сельскохозяйственными машинами, применяемыми как в традиционной технологии производства работ (плуг «Фортшритт» В-550, борона Б7Т, глубокорыхлитель ГРН-3), так и в технологии с минимальной обработкой почвы (борона БДК-5,4).
Данные испытания выполнялись в почвенно-климатической зоне
расположения МИС. Технические измерительные средства, использованные при проведении эксплуатационно-технологических испытаний,
указаны в таблице 3.6.
Эксплуатационно-технологические испытания проводились в «Кубанской МИС» определением показателей К-701 по ГОСТ 24055-88 и
ГОСТ 24057-88.
По результатам экспериментов проведен расчет средних значений
коэффициента замены дизельного топлива и средних значений коэффициента общего расхода топлива, которые определены по формуле
(3.73)
188
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3.6 – Перечень измерительных средств
Наименование
измеряемого параметра
Скорость
дви-
Наименование,
марка
измерительного
средства,
оборудования
Мерный циркуль № 1/0 ТУ 10.13.004-89,
жения
Секундомер СОС пр.2б № 6646 ТУ 25.1819.021агрегата
Размер участка
Глубина
ботки почвы
90
обра-
Рулетка (0-30) м № 3/3, ГОСТ 7502-98
Линейка металлическая (0-500) мм № 1/0 ГОСТ
427-75
Время
Секундомер СОС пр.2б № 6646 ТУ 25.1819.02190,
Частота вращения коленчатого вала
Расход
дизельного топлива
Расход газа
Аппаратура ЭМА-ПМ, № 33 ТУ 70.0002.036-86
Тахометр ТЧ10-Р, № 64501, ГОСТ 21339-82
Счетчик заправочного агрегата ШЖУ-25М6
№62615
ТУ 25-02.071922-87,
Расходомер топлива ИП-204, № 10 ТУ
42.1131-008Счетчик АГНКС, мерная газобаллонная установка 9БТ00869559-2000
51-20-251/1262 ТУ
4591001-07507512-96, манометр
МВ 3/25 № 60091
где Крт – средний коэффициент расхода топлива;
Gt – средний расход дизельного топлива в дизельном режиме, кг/ч.
Согласно выбранной методики исследований, оценка эффективности использования МТА проводилась на технологических операциях почвообработки, которые выполнялись газодизельным трактором К-701 с
усовершенствованной эжекторной системой ВИМ-ВНИИГАЗ (патент
№ 55881) и экспериментальной системой (патент № 2308604). Исследования проводились на дисковании стерни подсолнечника и кукурузы,
предпосевной обработке почвы, вспашке и чизелевании. Основные
параметры агрегатов фиксировались при проведении контрольных смен
(приложение 11).
Параметры МТА при выполнении почвообрабатывающих операций исследовались по схеме «Экспериментальное двухрежимное энергосредство сельскохозяйственная машина». Для формирования типовых
условий эксплуатации, механизированные операции проводились в разное время при разном составе агрегата (агрегаты №5...№8). В качестве
почвообрабатывающих машин использовались современные
модели
сельскохозяйственных машин: дисковые бороны БДК-5,4, Б-7ТП;
плуг «Фортшритт В-550»; плуг-глубокорыхлитель ГРН-3.
189
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дискование проводилось МТА №1 в составе К-701+БДК-6,4 в
следующих условиях: - дата испытаний – 06.08.2004; место испытаний ФГУП ОПХ ПЗ «Ленинский путь» Краснодарский кр.; тип почвы – Предкавказский среднесуглинистый чернозем; влажность 7...22% , твердость
1,36...2,78 МПа рельеф – ровный; микрорельеф – волнистый.
- режимы технологической обработки: скорость движения МТА –
6,3 км/ч; ширина захвата – 6,3 м; угол атаки рабочих органов 15 градусов,
глубина 9,2 см.
Предпосевная обработка проводилась комбинированным агрегатом К701+АКМ-8 (МТА №2) в следующих условия: дата испытаний –
10.08.2004г; место испытаний - ФГУП ОПХ ПЗ «Ленинский путь Краснодарский кр.; почва – Предкавказский среднесуглинистый чернозем; влажность 15%...22%, твердость 0,69...1,35 МПа рельеф – ровный; микрорельеф – волнистый. Предшествующая обработка- лущение стерни озимой
пшеницы.
Режимы технологической обработки: - ширина захвата агрегата
составляла 7,9м, средняя скорость движения – 6,5 км/ч. При средней глубине обработки 13,5см, данный агрегат выполнял заделку пожнивных и
подрезание растительных остатков, крошение почвы на фракции: менее 10 мм – 69.5%, 10-30 – 8,2% , 30-50 – 19%.
Вспашка проводилась агрегатом №3 К-701+ПНЛ-8-40, в следующих условиях: дата испытаний – 16.08.2004г; место испытаний - ФГУП
ОПХ ПЗ
«Ленинский путь» Краснодарский кр.; почва Предкавказский
среднесуглинистый чернозем; влажность 19%...22% , твердость 1,4...2,4
МПа рельеф – ровный; микрорельеф – волнистый, высота сорных растений 6,3 см, количество сорных растений 13 ед/м2. Предшествующая обработка- дискование стерни гороха.
Результаты испытаний МТА №3:
- средняя ширина захвата - 324,9 см, глубина обработки - 27,6 см;
- крошение почвы на фракции: до 50 мм – 69,2 %; более 50 мм –
30,8%. Дискование стерни кукурузы проводилось МТА №4 К-701+Б-7Т:
- дата испытаний – 08.09.2004; место испытаний - ФГУП ОПХ ПЗ
«Ленинский путь»
Краснодарский кр.; почва – Предкавказский
среднесуглинистый чернозем; влажность 14,77%...20,81% , твердость
0,3...3,3 МПа рельеф – ровный; микрорельеф – волнистый.
- режимы технологической обработки: производительность – 4,32
га/ч; скорость движения МТА – 8,6 км/ч; ширина захвата – 7 м;
угол атаки рабочих органов 16 градусов, глубина 12,5 см.
190
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.36 - Диаграмма изменения количества потребленного топлива и параметры
процессов дискования
191
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дискование стерни кукурузы проводилось МТА №5 - К701+БДК- 5,4: дата испытаний – 17.08.2005; место испытаний ОАО Конезавод «Восход» Краснодарский кр.; почва – Предкавказский среднесуглинистый чернозем; влажность 7,4%...16,1% , твердость
2,2...4,8 МПа; рельеф – ровный; микрорельеф – ровный. Результаты испытаний:
- режимы технологической обработки: производительность – 4,5
га/ч; скорость движения МТА – 13,2 км/ч; ширина захвата – 5,14 м;
угол атаки рабочих органов 15 градусов, глубина 9,4 см.
Дискование стерни подсолнечника проводилось МТА №6 К701+Б- 7ТП, дата испытаний – 20.09.2005; место испытаний КФХ
«БВВ» Курганинского р-на Краснодарского кр.; почва – Предкавказский
среднесуглинистый чернозем; влажность 11%...14% , твердость 1,3...4,2
МПа рельеф – ровный; микрорельеф – ровный. - режимы технологической обработки: производительность – 4,7 га/ч; скорость движения МТА
– 10 км/ч; ширина захвата – 6,75 м; угол атаки рабочих органов 15 градусов, глубина – 12,5 см.
Природно-климатические условия выполнения технологических
операций дискования (МТА № 5, №6) были экстремальными по влажности и твердости почвы в сравнении с типичными для зоны Кубанской
МИС. Параметры контрольных смен (рис. 3.36) показали производительность МТА в газодизельном режиме близкую данному параметру дизельного режима, при этом удельные затраты у агрегатов с газодизельным
трактором К-701 снижались.
Качество обработки почвы при дисковании стерни кукурузы и
подсолнечника соответствовали необходимым агротехническим требованиям при работе трактора, как в дизельном, так и в газодизельном
режимах. Следует отметить, что весомое различие параметров удельного расхода топлив вызвано как различным составом агрегатов, так и
различными природно-климатическими условиями испытаний, происходивших в разные даты. Массовый удельный расход дизельного топлива в дизельном режиме составил Gtдр=6,9...7,02 кг/га. В газодизельном режиме в проведенных опытах общий расход топлива отмечен
Gtгдр=6,87...6,95кг/га, что было близко соответствующему значению
этого параметра дизельного режима. Средний коэффициент замены дизельного топлива составил Кзт= 0,57...0,61.
Замена части дизельного топлива на КПГ обеспечила
снижение эксплуатационных расходов, что составило
ΔСэ=65,88...71,82 руб/га, или 33%...36% общих удельных затрат на топливо.
192
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.37 – Параметры агрегата №7 при выполнении технологических процесса вспашки
Вспашка (рис. 3.37) проводилась МТА №7 - К-701+ «Фортшритт В- 550» в следующих условиях: дата испытаний – 09.11.2005г;
место испытаний – «НЭС РосНИИТиМ» Краснодарский кр.; почва –
Предкавказский среднесуглинистый чернозем; влажность 26%...28% ,
твердость 0,98...1,73 МПа, рельеф – ровный; микрорельеф – ровный, высота пожнивных остатков 4,6 см. Предшествующая обработка дискование стерни озимой пшеницы.
Результаты испытаний МТА №7:
- производительность – 1,78 га/ч; средняя ширина захвата – 329 см,
глубина обработки 29,2 см;
- скорость агрегата - 8,0 км/ч;
193
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- крошение почвы на фракции: до 50 мм – 43,6 %; более 50 мм – 56,4%.
- гребнистость поверхности поля менее 4,9 см.
Рис. 3.38 - Параметры агрегата при выполнении технологического процесса чизелевания
Показатели качества обработки почвы агрегатами соответствовали
агротехническим требованиям как при работе трактора в дизельном, так и
в газодизельном режимах. При выполнении вспашки в дизельном режиме
удельный расход топлива отмечен на уровне 18,75 кг/га. В газодизельном
режиме общий расход топлив был 18,28 кг/га из которых КПГ – 11,67 кг/га
и дизельное топливо – 6,61 кг/га, при среднем коэффициенте замены дизельного топлива на КПГ Кзт=0,64. Такие параметры вызвали снижение
затрат на топливо на ΔСэ=205,14 руб/га, или 38%.
194
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глубокое рыхление (чизелевание) почвы (рис. 3.38) проводилось
МТА № 8 - К-701+ГРН-3 в следующих условиях:- дата испытаний –
12.10.2005г; место испытаний - ФГУП ОПХ ПЗ «Ленинский путь» Новокубанский р-н Краснодарский кр.; почва – Предкавказский среднесуглинистый чернозем; влажность 13%...15% , твердость 2,8...4,5 МПа рельеф –
ровный; микрорельеф – ровный, высота пожнивных остатков 8 см. Предшествующая
обработка - уборка сахарной свеклы.
Результаты испытаний:
- производительность – 1,6 га/ч; средняя глубина обработки – 40
см, ширина захвата – 3,2 м, скорость движения агрегата - 6,8 км/ч;
- крошение почвы – фракция менее 50 мм – 38,5%, более 50 мм –
61,5%.
- гребнистость поверхности поля – менее 7,4 см.
При выполнении операции чизелевания в дизельном режиме расход
топлива МТА был 19,11 кг/га. В газодизельном режиме общий расход топлив отмечен 18,31 кг/га, из которых КПГ – 11,45 кг/га и дизельное топливо
– 6,86 кг/га, при среднем коэффициенте замены дизельного топлива
Кзт=0,63. Это обеспечило снижение затрат на топливо на 209,96 руб/га, или
на 39%.
Для сравнения параметров ресурсосбережения МТА, выполняемых
тракторами К-701 с предложенными газодизельными системами, представлена диаграмма снижения затрат на топливо в зависимости от вида
технологических операций (рис. 3.39). Она
показывает преимущества
газодизельной системы по патенту № 2308604 в сравнении с усовершенствованной по патенту № 5881 системой ВИМ-ВНИИГАЗ, которые в большей степени проявляются на энергоемких операциях.
По результатам эксплуатационно-технологических испытаний установлено, что средний коэффициент замены дизельного топлива на компримированный природный газ, варьирует в пределах Кзт=0,57...0,64, что
обеспечивает эффект ресурсосбережения. Это подтверждает и МИС, по
данным которой, повышение эффективности МТА с новой системой составило ΔСт=43%...47%. По результатам государственных приемочных
испытаний МИС рекомендует переоборудование
опытной партии газодизельных тракторов К-701.
Конструкция газодизельной системы должна выполнять основные
функции и требования, изложенные в главах 1 и 2 настоящей работы.
Учитывая сложность технических задач, которые должна решать газодизельная система, для упрощения ее конструкции, разработан электронный
блок, автоматизирующий процесс компенсации снижения крутящего момента газодизеля методом кратковременного включения дизельного режима при снижении частоты вращения коленчатого вала менее 1100 мин-1.
195
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.39 – Параметры ресурсосбережения почвообрабатывающими МТА с
газодизельными К-701
Для обеспечения температурного режима двигателя с Т охл. ж >40 0,
при котором система может автоматически включить газодизельный
режим, электронный блок дополнен соответствующими функциями
[165], [166]. Для реализации всережимного регулирования подачи газа
разработана электронно-механическая система, работающая по принципу всережимного регулятора не прямого действия. Для улучшения
функций ограничителя запальной дозы дизельного топлива проведена
доработка его конструкции. Предлагаемая экспериментальная [166] газодизельная система установлена на трактор К-701 (рис.3.40).
Экспериментальная газодизельная система (рис. 3.41),
содержит
элементы 1,2,3,4,5,6,13,19 аналогичные конструкции ВИМ-ВНИИГАЗ.
Газобаллонная установка, состоящая из двух секций баллонов по 9 в каждой, установлена на задней полураме трактора. Часть элементов экспериментальной газодизельной системы установлена на двигателе ЯМЗ 240Б моторном отсеке и кабине. В сравнении с конструкцией ВИМ ВНИИГАЗ, система содержит:
- усовершенствованные узлы: газовый редуктор низкого давления
7, механизм ограничения запальной дозы 14 и регулятор 10;
- новые узлы и сборочные единицы: газовый жиклер 8, дозатор газа
9, датчики 11,16,18, рычаг 12, крыльчатка 15, электронный блок 17.
196
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.40 - Опытный газодизельный трактор К-701
При включении механизатором тумблера переключения режимов,
электронный блок газодизельной системы контролирует температуру охлаждающей жидкости двигателя и при ее значении более 400 определяет
частоту вращения коленчатого вала.
1-смеситель; 2- установка газобаллонная; 3- вентиль расходный; 4- фильтр газовый; 5,7- редукторы газовые высокого и низкого давления; 6- клапан электромагнитный газовый; 8,9- жиклер и дозатор газовые; 10- регулятор механи-
197
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ческий ТНВД; 11-датчик положения рычага регулятора; 12,13-рычаг регулятора и
рейка ТНВД; 14-механизм ограничения запальной дозы; 15-крыльчатка; 16,18- датчики частоты вращения и температуры; 17-электронный блок; 19-переключатель
режимов работы двигателя.
Рисунок 3.42 – Схема усовершенствованной газодизельной системы
Если частота вращения не превышает 1200 мин-1, двигатель работает в дизельном режиме, так как отсутствует включение электромагнита
механизма ограничения запальной дозы, при этом подача газа перекрыта электромагнитным газовым клапаном. При повышении частоты вращения коленчатого вала более 1200 мин-1 при снижении нагрузки или
вследствие воздействия педали акселератора, электронный блок включит
электромагнит механизма ограничения запальной дозы, производя при
этом контроль действительного положения рейки ТНВД. Если рейка
ТНВД заняла положение, соответствующее включению запальной
дозы дизельного топлива, электронный блок включит электромагнитный
газовый клапан и систему всережимного регулирования подачи газа,
при этом двигатель начнет работать в газодизельном режиме, а электронно-механическая система будет синхронно осуществлять взаимозависимое регулирование подачи газа и дизельного топлива. При этом система
контролирует коэффициент загрузки двигателя (Кзд), и при (Кзд)=1 включит полные подачи топлив согласно параметрам режимной точки теоретических моделей полного режима. При (Кзд)<1, система отработает точки регуляторной ветви.
При работе двигателя в газодизельном режиме с перегрузкой может начаться снижение частоты вращения коленчатого вала менее 1900
мин-1, и при ее снижении менее 1500 мин-1, начнет работу пропорциональный прямой газовый корректор, увеличивающий подачу газа и
крутящий момент. Если крутящий момент корректорной ветви превысит
момент сопротивления, возникнет положительное угловое ускорение
коленчатого вала и частота вращения увеличится, а двигатель, преодолев
кратковременную перегрузку, продолжит работу в газодизельном режиме.
При возникновении более значимых перегрузок момент сопротивления
может превысить крутящий момент корректорной ветви, тогда снижение частоты вращения менее 1200 мин-1, приведет к автоматическому
включению дизельного режима, и работе прямого дизельного корректора.
В случае преодоления двигателем в дизельном режиме кратковременной
перегрузки, наступит повышение частоты вращения коленчатого вала более 1200 мин-1,с автоматическим включением газодизельного режима.
Электронный блок (рис. 3.43) изготовлен из отечественных комплектующих, и представляет собой простую конструкцию, которая при низкой себестоимости изготовления обеспечивает надежную и эффективную работу
системы. Индикаторы, размещенные на передней панели, позволяют визуально контролировать служебные функции газодизельной системы.
198
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.43 - Электронный блок разработанной систе мы
Механизм ограничения запальной дозы представляет собой рычажную конструкцию с электромагнитным приводом (рис. 3.44).
Для упрощения кинематической схемы механизм размещен на передней части ТНВД, при этом действительные координаты перемещения
планки ограничителя хода рейки ТНВД контролируются датчиком.
199
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.44 - Механизм ограничения запальной дозы
После успешных
заводских испытаний данный трактор был
направлен на Государственные приемочные испытания в ФГУ «Кубанская МИС». Экспериментальные исследования параметров газодизельного режима и параметров МТА, выполнявших операции почвообработки, проводились в ФГУ «Кубанская МИС».
Предложенная в настоящей работе методика расчета параметров топливоподачи использована для адаптации разработанной конс трукции «Автоматическая газодизельная система трактора» к работе с двигателем Д- 240 трактора МТЗ-82. Этот трактор после переоборудования
и успешных пуско-наладочных работ эксплуатируется в полеводческом
хозяйстве, принадлежащем «Невинномысскому ЛПУМГ» ООО «Газпром200
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
трансгаз Ставрополь». Практическое выполнение процессов вспашки
МТА с этим трактором показало средний коэффициент замены дизельного топлива Кзт=0,63 при снижении затрат на топливо 35%...37%.
Для расчета показателей повышения эффективности почвообрабатывающего МТА с газодизельными тракторами К-701, проведен расчет
технико-экономической эффективности процесса вспашки. Расчет выполнен в ценах 2008 г.
В качестве базового комплекса техники, в сравнении с которым
проводился расчет, принят состав машинно-тракторного агрегата с дизельным К-701. Новый комплекс технических средств механизации процесса вспашки характеризуется применением газодизельного трактора
К-701 с системой пат. № 2308604, и средств его заправки.
Для проведения расчета выбраны исходные данные по ценам сельскохозяйственной техники, тарифным ставкам [89]. А также рыночные
цены на ГСМ, услуг по переоборудованию тракторов.
Среднегодовая загрузка МТА с трактором К-701 и газозаправщика ПАГЗ-1 принята равной 1650 ч [98].
Таблица 3.7 - Стоимость техники и горючего
№
Наименование.
Стоимость, руб
1
Базовый дизельный трактор К-701.
1785700
2
Газодизельный К-701.
2007300
4
Дизельное топливо
24 р/л
5
Компримированный природный газ
8,5 р/м3
6
Плуг «Фортшритт В-550»
350000
7
Газозаправщик ПАГЗ-1
1000000
При долгосрочных вложениях и изменении текущих издержек экономическую эффективность определяют за весь срок службы машин и
оборудования. Для приведения разновременных затрат, результатов и эффектов используют норму дисконта (приведения), равную приемлемой
для инвестора норме прибыли на произведенные затраты.
Затраты, результаты и эффективность, имеющие место в t-ом году
реализации внедрения объекта, приводят к базисному варианту путем умножения на коэффициент приведения (αt)
1
 =
,
3.74
1 + Ен 
где t - год вложения средств (t = 0, 1, 2 …);
201
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ен - норма дисконта капитала с поправкой на инфляцию,
1+
Ен =
− 1,
3.75
1+
где r − уровень инфляции, %, принимается равным 12 %;
E − ставка процента банка, %, Е = 15 %.
В связи с тем, что сельское хозяйство относится к группе рискованных финансовых вложений, необходимо учесть риски при расчете
нормы дисконта.
Тогда формула (5.2) примет вид:
1+ +
Ен =
− 1,
3.76
1 + 0,12
Таблица 3.9 – Значения коэффициента суммы дисконтирования по годам
αt
1-й год
0,83
2-й год
0,69
3-й год
0,58
4-й год
0,48
5-й год
0,40
В качестве расчетного года принимается первый год инвестиционных вложений (начало освоения новой технологии или техники).
Общая величина прибыли, получаемая за срок службы машин и оборудования, определяется по формуле
Пср =


П ∙ 
(3.79)
где Пср – общая величина прибыли за весь срок службы машин и
оборудования, руб;
Эг – годовой экономический эффект, полученный в t-м году
расчетного периода, руб;
Прибыль от внедрения технологии определена по формуле
П = Зб − З н ,
(3.80)
где П - прибыль, руб/год;
Зб, Зн – общие затраты на выполнение годового объема работ соответственно базовым и новым составом МТП, руб/год.
Зб = С б ⋅ Wг ,
(3.81)
где Сб – себестоимость обработки 1 га базовым комплексом, руб/га;
Wг – годовая наработка агрегата, га.
Себестоимость выполнения механизированной работы определены
суммой следующих удельных затрат:
С = З + Г + А+ Р+Ф,
(3.82)
где З – затраты на оплату труда обслуживающего персонала, руб/га;
Г- затраты на энергоносители, руб/га;
202
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Р – затраты на ремонт и техническое облуживание, руб/га;
А - затраты на амортизацию МТА, руб/га;
Ф – прочие прямые затраты, руб/га.
Учитывая то, что предлагаемый комплекс техники требует наличия
одного газозаправщика и его содержание, это увеличит прочие прямые
затраты.
Затраты на оплату труда обслуживающего персонала определены по
формуле:

1
з= ∙
Л ∙  ∙ д
(3.83)
Вч
 =1
где З - затраты на оплату труда обслуживающего персонала, руб/га;
Вч – эксплуатационная производительность МТА, га/ч;
Л - количество обслуживающего персонала. чел.;
ηi – тарифная ставка работника по i разряду, руб/ч;
kд- коэффициент, учитывающий доплаты и премии за
классность,
дополнительные начисления, стаж.
Стоимость горючего определена по формуле:
Ц
Ц
Г = г ∙ г + дт ∙ дт
(3.84)
г
дт
где Г – удельная стоимость горючего руб/га;
qг и qдт – соответственно удельные массовые расходы газа
и дизельного топлива, кг/га;
Цг и Цдт – рыночные цены 1 м3 КПГ и 1л дизельного топлива,
руб/м3, руб/л;
ρг и ρдт – плотность газа и дизельного топлива, кг/м3, кг/л.
Отчисления на ремонт и техническое обслуживание МТА определены по формуле:
(3.85)
где Р - отчисления на ремонт и техническое обслуживание МТА,
руб/га;
Б1 и Б2 – балансовая стоимость трактора и сельскохозяйственной машины руб;
Т1 и Т2 – годовая загрузка агрегата, ч;
rТ1 , rТ2 и rК1, rК2 – коэффициенты отчислений текущий ремонт
с ТО и капитальный ремонт трактора и сельскохозяйственной машины;
Т1, Т2 - годовая наработка трактора и сельскохозяйственной машины, га.
203
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Амортизационные отчисления при эксплуатации МТА определены
по формуле:
(3.36)
где А - амортизационные отчисления на эксплуатацию МТА, руб/га;
а1 , а2 – коэффициент амортизационных отчислений на эксплуатацию трактора и сельскохозяйственной машины.
Рентабельность переоборудования парка техники в газодизельные
модификации определена по формуле:
(3.87)
где Р - рентабельность, %;
Кд - дополнительные капиталовложения в основные средства, руб.
Срок окупаемости дополнительных капиталовложений в определен
по формуле:
(3.88)
где То - срок окупаемости дополнительных капиталовложений в изменение состава машинно-тракторного парка, лет.
Таблица 3.10 – Показатели сравнительной экономической эффективности агротехнологии производства озимой пшеницы
204
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4 РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
ДЕТАЛЕЙ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ
4.1 Обзор существующей информации об износостойкости прецизионных деталей топливной аппаратуры
В современных экономических условиях перед сельскохозяйственными предприятиями стоят задачи производства высококачественной продукции, поиска путей снижения ее себестоимости. В структуре производственных затрат весомую долю (25%…30%) занимают затраты на топливо,
возрастающие при выполнении энергоемких процессов почвообработки.
Современные технологии производства продукции растениеводства
включают ряд операционно-технологических процессов: механической обработки почвы, посева и посадки различных сельскохозяйственных культур, применения средств защиты растений, уборки урожая, транспортировки продукции и др.
В настоящее время технологические процессы почвообработки характеризуется агротехническими, энергетическими и экономическими показателями и учитывается эффективность сельскохозяйственных машин, и
энергетических средств. Вместе с тем, имеющиеся в сельскохозяйственных
предприятиях средства механизации требуют решения вопросов по повышению эффективности их использования.
Эффективность использования сельскохозяйственной техники, в
первую очередь, зависит от ее эксплуатационной надежности, которая
обеспечивается системой диагностики, технического обслуживания и ремонта.
Анализ отказов дизельной техники сельскохозяйственного назначения показывает, что более 60% всех отказов связаны с двигателем (рис унок 4.1).
Рисунок 4.1 – Распределение отказов дизельной техники
205
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отказы дизельных двигателей связаны с выходом из строя системы
смазки 7,6%, системы охлаждения - 9,3%, системы питания - 39,8%, газораспределительного механизма - 3,9% и других - 2,4%. Основная причина
отказов системы питания дизельных двигателей связана с топливными насосами высокого давления (ТНВД) - 60%, к тому же из-за изнашивания ПП
(рисунок 4.2).
6%
7%
17%
плунжерные пары
нагнетательные клапаны
70%
кулачковый вал
прочие
Рисунок 4.2 – Распределение отказов ТНВД
В процессе эксплуатации ТНВД происходит изнашивание подвижных сопряжений его деталей, в том числе и плунжерных пар. В результате
износа элементов топливного насоса происходит изменение размеров и
формы деталей, изменение шероховатости, механических свойств и износостойкости, образование задиров, рисок, царапин и других дефектов. Появление таких дефектов является причиной ухудшения технического состояния ТНВД. Факторы, влияющие на износ плунжерных пар топливных
насосов высокого давления можно, классифицировать по аналогии с факторами, влияющими на изменение технического состояния изделия: конструктивные, технологические и эксплуатационные (рисунок 4.3).
Конструктивные факторы определяются формами и размерами деталей, жесткостью конструкции, точностью взаимного расположения поверхностей и осей совместно работающих деталей, правильным выбором
посадок и т.д. От форм и размеров деталей зависит удельное давление на
их поверхность, концентрация напряжений, ударная и усталостная прочность металла. Жесткость конструкции характеризуется свойством деталей, особенно базовых и основных, незначительно деформироваться под
воздействием воспринимаемых нагрузок. Правильный выбор посадок и
точность взаимного расположения деталей обеспечивает надежную работу
сопряжений.
Технологические факторы – это те факторы, которые зависят от качества материалов, используемых для изготовления деталей, применения
соответствующей термической обработки, сборочных работ (центровка,
206
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
регулировка зазоров, качество крепления и др.), квалификации рабочего,
уровня технической оснащенности предприятия и технологического процесса, организации труда и др.
Факторы, влияющие на состояние ТНВД
Конструктивные
Эксплуатационные
Технологические
- форма
- топливо
- материал
- размер
- режимы работ
- сборочные работы
- соосность
- фильтрующие элементы
- квалификация рабочего
- выбор посадки
- климат
- техническая оснащенность
Рисунок 4.3 – Факторы, влияющие на износ плунжерных пар топливных насосов высокого давления
Эксплуатационные факторы зависят от дорожных и климатических
условий, от вида выполняемых технологических операций, условий эксплуатации, качества топлива, состояния и качества фильтрующих элементов и т.д. От вида выполняемых технологических операций зависит режим
работы дизеля, влияющий на нагрузочную характеристику ТНВД.
Наибольшее влияние на техническое состояние плунжерных пар
оказывают эксплуатационные факторы, а конструктивные и технологические оказывают дополнительное влияние на техническое состояние деталей.
Исходя из классификации факторов, влияющих на износ плунжерных
пар, можно различить три вида надежности: конструктивную, производственную и эксплуатационную. Конструктивная надежность закладывается при
проектировании изделия, производственная – обеспечивается, в процессе
производства, а эксплуатационная – проявляется и обеспечивается в эксплуатации.
Ведущие производители топливной аппаратуры, такие как ОАО
«Ногинский завод топливной аппаратуры», ОАО «Ярославский завод топливной аппаратуры», ООО «Алтайский завод топливной аппаратуры»,
ОАО «Барнаульский завод топливной аппаратуры» и др., для повышения
надежности выпускаемых запасных частей (особенно прецизионных пар на
уровне производственной надежности) применяют селективную сборку
207
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
деталей. Селективный подход обеспечивает подбор прецизионных пар с
минимальным зазором, который обеспечивает увеличение надежности деталей. Применение селективного метода сборки приводит к повышению
себестоимости производимой продукции. Поэтому поддержание эксплуатационной надежности на должном уровне является важнейшей задачей.
Для повышения надежности плунжерных пар необходимо провести
анализ причин износа, установить влияние технического состояния деталей на выходные параметры ТНВД, а также установить влияние режимов
работы на показатели работы дизельной техники.
Плунжерные пары работают в сложных условиях. При этом имеют
место высокие давления и скорости топлива, которое содержит твердые
абразивные частицы различных размеров.
Исследования [5, 16, 62] показывают, что износ деталей плунжерных пар происходит из-за минеральных частиц, входящих в состав загрязнений топлива. Изучение состава минеральных частиц [62] позволило установить, что 90% их состоит из кварца и оксидов металлов (Al2O3, ZnO и
др.). Микротвердость таких абразивных частиц довольно высокая. Так,
микротвердость оксида алюминия составляет 12000…13000 МПа, а кварца
– 10300…11000 МПа [16], тогда как микротвердость рабочих поверхностей
деталей плунжерных пар составляет лишь 9000…10500 МПа. Отсюда становится очевидной причина абразивного износа деталей плунжерных пар.
Наличие абразивных частиц в топливе, соотношение их размеров с
зазорами в плунжерных парах и высокая скорость движения топлива относительно поверхности деталей предопределяют их гидроабразивный износ
и абразивное истирание вследствие столкновения частиц и топлива с поверхностью плунжера, а также защемления частиц в зазоре плунжервтулка.
Гидроабразивный износ представляет собой процесс совместного
действия абразивных частиц и жидкости, несущей эти частицы. Износ
происходит в результате срезания микростружек поверхности, выбивания
отдельных ее частиц, вымывания микроскопических объемов, внедрения
жидкости, находящейся под высоким давлением, в дефектные очаги, сопровождающегося расклинивающим действием [99].
В большинстве работ [72, 95, 99, 119, 125] указывается на то, что
абразивное истирание поверхностей плунжерных пар, вследствие защемления частиц в зазоре, происходит в том случае, когда размер абразивных
частиц несколько больше зазора между сопрягаемыми поверхностями.
Частицы заклиниваются в зазоре, вндряются в одну из поверхностей и действуют подобно резцу. На поверхности появляются крупные риски, направленные параллельно движению плунжера [162].
Важно отметить, что износ защемляемыми в зазоре частицами может иметь место в любой зоне сопряженных поверхностей плунжерных
пар, а гидроабразивному износу могут подвергаться только те участки поверхностей, которые соприкасаются с движущимся топливом.
208
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Анализ работы плунжерных пар [20, 62, 125, 256] показывает, что
движение топлива относительно поверхностей деталей происходит при
просачивании его через зазоры и перетекании в окна гильзы в моменты начала и конца подачи. При перетекании топливо омывает кромки окон гильзы и плунжера и примыкающие к ним участки поверхностей. Просачивание топлива в моменты нагнетания также происходит в основном, в зонах,
непосредственно примыкающих к указанным кромкам в районах открытия
и закрытия окон. В этих местах создаются наиболее короткие пути перетекания топлива из полости высокого давления в полость низкого давления.
Поскольку нагнетание топлива совершается на части хода плунжера, составляющего обычно 1,5…5 мм (активный ход плунжера) [29], то гидроабразивному износу, обусловленному просачиванием топлива, могут подвергаться только небольшие участки поверхностей плунжера и гильзы, соизмеримые с активным ходом плунжера по длине и примыкающие к кромкам.
Отличительной особенностью износа деталей плунжерных пар является концентрация износа на отдельных участках поверхностей. У гильзы
участки износа сконцентрированы выше впускного и с нижней стороны от
перепускного окон (рисунок 4.4). У плунжера местные износы располагаются в зонах поверхности, совмещаемых при работе с указанными участками
износа гильзы, то есть на участке, примыкающему к впускному окну, и у отсечной кромки в той ее части, где происходит открытие перепускного окна
при отсечке подачи.
Рисунок 4.4 - Зоны изнашивания плунжера: 1 - зона наибольшего износа, против впускного окна гильзы; 2 - зона винтовой кромки
Расположение участков местных износов на поверхностях плунжера и гильзы совпадает с зонами наиболее интенсивного просачивания топлива через зазоры при нагнетании и перетекания его в окна в начальный и
209
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
конечный моменты нагнетания. Этот факт указывает на связь износа
плунжерных пар с перетеканием топлива.
Величины местных износов у плунжера и гильзы неодинаковы.
Многие авторы [7, 64, 100, 106] указывают на то, что максимальному износу подвергается участок поверхности плунжера, примыкающий к впускному окну гильзы. Глубина местной впадины у предельно изношенного
плунжера в непосредственной близости от кромки верхнего торца достигает 30…35 мкм, а на расстоянии 1 мм от кромки – 20…25 мкм. Ширина изношенного участка достигает 7,5 мм по дуге окружности плунжера. По
длине плунжера износ распространяется на 9…10 мм от кромки верхнего
торца [265].
В меньшей степени изнашивается втулка в зоне впускного окна.
Непосредственно у кромки окна глубина впадины не превышает 20 мкм, а
на расстоянии 1 мм к верху от нее – 10…15 мкм. По мере приближения к
кромке окна глубина впадины постепенно увеличивается, а ее ширина по
дуге окружности гильзы уменьшается [64, 100, 106].
Особенностью местных износов является то, что впадины имеют
увеличивающуюся глубину по направлению к кромкам плунжера и гильзы.
Это выравнивает сечение образующихся в результате износа каналов, по
которым топливо перетекает из надплунжерного пространства в полость
пониженного давления. Такая особенность износа свидетельствует о гидроабразивном характере процесса изнашивания.
Таким образом, можно предположить, что процесс изнашивания
плунжерных пар протекает следующим образом. В момент подачи топлива
через впускное окно гильзы абразивные частицы, содержащиеся в топливе,
изнашивают кромки впускного окна гильзы и кромку плунжера напротив
впускного окна гильзы. В начальный момент нагнетания и при отсечке подачи, движущиеся вместе с топливом твердые абразивные частицы наносят
микроцарапины на кромках окон гильзы (на участках перекрытия окон) и
плунжера и на непосредственно примыкающих к ним участках поверхностей.
При отсечке подачи имеет место завихрение выходящей с большой
скоростью в перепускное окно струи топлива. В результате завихрения отдельные струи топлива, с содержащимися в нем абразивными частицами,
ударяются о поверхность плунжера, расположенную выше отсечной кромки. Вследствие многочисленных ударов абразивными частицами на указанной поверхности плунжера образуются многочисленные микроскопические вмятины. Движущееся топливо размывает дефектные очаги (царапины и каверны). В процессе нагнетания, при перекрытых окнах гильзы,
вместе с топливом, просачивающимся по кратчайшим путям в окна гильзы, в зазор между плунжером и гильзой заносятся абразивные частицы.
Мелкие и соизмеримые с зазором абразивные частицы протаскиваются
между поверхностями плунжера и втулки движущимся топливом и за счет
этого движения наносят царапины на поверхностях, как плунжера, так и
210
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
втулки плунжера. Крупные частицы, попадая в зазор между плунжером и
втулкой, защемляются и изнашивают сопряженные поверхности. Занесенные топливом и защемленные в зазоре частицы изнашивают поверхности
деталей плунжерных пар и после отсечки подачи.
Изнашивание плунжерных пар имеет гидроабразивный характер и
сопровождается защемлением абразивных частиц. Износ производят движущееся топливо и все содержащиеся в нем частицы загрязнений, что приводит к появлению на поверхностях плунжерной пары глубоких борозд.
При одной и той же концентрации абразивных частиц в топливе
попадание их в зазор определяется интенсивностью просачивания топлива.
Поэтому интенсивность изнашивания плунжерных пар при всех прочих
равных условиях определяется величиной утечек топлива, происходящих
через зазоры в плунжерных парах при нагнетании. Повышение интенсивности просачивания топлива приводит к большей интенсивности изнашивания плунжерных пар также вследствие увеличивающейся скорости движения топлива и содержащихся в нем абразивных частиц [265].
Такой механизм изнашивания плунжерных пар объясняет все рассмотренные выше особенности их износа.
Расположение местных износов совпадает с зонами просачивания
топлива через зазоры и перетекания его в окна. Направление бороздок указывает на то, что вблизи кромок ведущим является гидроабразивный износ, так как оно совпадает не с направлением движения плунжера, а с линиями движения топлива. Изменение направления бороздок связано с тем,
что износ в этих зонах является следствием защемления частиц в зазоре.
Так как участок поверхности плунжера, примыкающий к верхней торцевой
кромке, перемещается в момент нагнетания из зоны действия гидроабразивного износа в зону износа только защемлѐнными частицами, то бороздки здесь имеют направление, совпадающее с направлением его движения.
Механизм изнашивания деталей плунжерных пар объясняет больший износ плунжера на участке, примыкающем к впускному окну гильзы,
по сравнению с соответствующим местным износом гильзы, а также
меньшим износ поверхностей у отсечной кромки плунжера и перепускного
окна гильзы. У гильзы изношенная поверхность имеет отрицательный угол
откоса к направлению движения потока топлива, что снижает изнашивающее воздействие на неѐ гидроабразивной струи. Поверхность плунжера,
наоборот, обращена под некоторым углом навстречу потоку топлива. Тем
самым она постоянно испытывает направленное воздействие струи. Кроме
того, у поверхности плунжера оказывается более высокой скорость потока
топлива вследствие суммирования еѐ со скоростью его собственного движения. Защемлѐнные частицы, вероятно, чаще всего шаржируются поверхностью втулки ввиду еѐ неподвижного положения. Это также вызывает повышение износа плунжера.
Кроме абразивных частиц в дизельном топливе присутствует вода,
которая способствует образованию слабых и сильных электролитов водо211
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
растворимых кислот, являющихся наиболее активными реагентами электрохимической коррозии [265, 279, 300]. Вода и растворимые в ней вещества вызывают достаточно сильную коррозию деталей системы питания, и
приводят к дополнительному засорению топлива продуктами коррозии,
отложению их на стенках топливных баков, топливопроводов, попаданию
в зазоры прецизионных деталей [9, 17, 97, 310, 311].
Описанные характер и механизм изнашивания плунжерных пар позволяют сделать вывод о том, что износ их деталей носит сложный гидроабразивный характер. В среднем плунжер изнашивается в 1,5-2 раза больше,
чем втулка, и величина его износа не превышает 40 мкм. Поэтому для повышения долговечности плунжерных пар, при их восстановлении необходимо
на поверхности плунжера создать слой специального покрытия толщиной не
более 60 мкм (учитывая максимальную величину износа плунжера и припуски на механическую обработку), имеющий достаточную микротвердость (в
сравнении с микротвердостью основных абразивов микротвердость поверхности плунжера должна превышать 13000 МПа) и высокую коррозионную
стойкость.
Самым ответственным элементом ТНВД является плунжерная пара,
но она и самый часто выходящий из строя элемент. Ресурс плунжерной пары составляет 1…4 тыс. мото-ч [304]. Задачей плунжерной пары является
подача дозированного количества топлива в полость высокого давления
топливной системы с высоким давлением за короткий промежуток времени в пределах 0,001…0,01 сек.
Неработоспособность плунжерной пары приводит к возникновению
отказа ТНВД, ремонту всего ТНВД в специализированных условиях. В
случае износов плунжерной пары, не приведшей к потери работоспособности ТНВД, процесс работы будет сопровождаться повышенным расходом
топлива - до 30% [310].
В настоящее время для восстановления и упрочнения плунжерных
пар топливных насосов высокого давления имеется ряд технологий, основанных на применении известных способов, таких как – диффузионная металлизация, применение присадочных материалов, технологии безразборного восстановления поверхности, электроискровое легирование, технологии пластического деформирования рабочих поверхностей и плазменные
технологии. Классификация технологий по восстановлению и упрочнению
плунжерных пар представлена на рисунке 4.5. Каждая из перечисленных
технологий включает в себя обширное количество частных методов, но
общий принцип не изменяется.
Технологии пластического деформирования рабочих поверхностей.
Восстановление деталей пластическим деформированием основано на способности металлов изменять свою форму и размеры без разрушения под
действием нагрузки за счет остаточной (пластической) деформации [127,
160]. При пластической деформации объем детали остается без изменений,
перемещается только металл с одного участка на другой.
212
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пластическая деформация металла происходит вследствие сдвигов
целых зерен металла. В связи с тем, что при нагреве деталей происходит
изменение структуры и механических свойств металла, после восстановления деталей их необходимо подвергать термической обработке.
Рисунок 4.5 – Схема классификации технологий по восстановлению и упрочнению высокоточных подвижных соединений применительно к ТНВД
Недостатки этого метода – сложность применяемого оборудования,
образование окалины, изменение структуры и физико-механических
свойств деталей, высокий процент брака и энергоемкость процесса.
Технологии диффузионной металлизации заключаются в том, что
изношенные плунжерные пары разбиваются на группы по величине износа, после чего, поверхность детали подвергается ряду операций, одной из
которых является помещение плунжера в электролит и пропускание через
него электрического тока, где на поверхность детали оседают химические
элементы. После осаждения химических веществ на поверхность восстанавливаемой детали производят шлифование, доводку и полировку.
К недостаткам этих способов относится: необходимость снятия всей
поверхности детали на величину износа; большое количество технологических операций; возникновение мелких трещин; вследствие обработки детали после оседания химических веществ происходит отслаивание нанесенного слоя.
213
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Технологии безразборного восстановления включают в себя ряд известных способов, основанных на присадочных материалах (ГТМтехнологии, ХАДО-технология и д.р.). присадки бывают как отдельно для
топлива так и для масла. Основной задачей присадок является создание на
поверхностях трения антифрикционных слоев, износостойких покрытий и
т.д. В состав присадочного материала входят активированные частицы тефлона, неабразивный алмазный порошок, химические реагенты, углеродосодержащие соединения и т.д.
Данные технологии имеют ряд недостатков: невозможность восстановления локальных участков рабочих поверхностей, образование нагара,
засорение топливопроводов и фильтров, бесконтрольное нанесение присадочных материалов на все рабочие поверхности, контактирующие с топливом.
Наиболее перспективным развитием безразборного восстановления
деталей являются применение нанотехнологий в АПК [281, 282]. Повышением износостойкости и коррозионной стойкости деталей, увеличением
межремонтного срока занимаются НИИ и вузы (Саратовский ГАУ им. Н.И.
Вавилова, МГАУ им. В.П. Горячкина, ГОСНИТИ, ВИИТиН).
Технологии плазменного напыления подразделяется на технологию
плазменной наплавки с толщиной покрытия от 1 до 10 мм и технологию
плазменной металлизации с толщиной покрытия от 0,1 до 1 мм. Плазменной технологией возможно и нанесение тонких пленок с толщиной от долей до нескольких десятков микрометров.
Электроискровое легирование: суть данной технологии сводится к
обработке рабочих поверхностей с нанесением на них износостойких материалов в несколько слоев. Недостатком этого способа являются микротрещины слоев, возникающие после доработки каждого слоя [34, 35].
Каждая из представленных технологий имеет свои преимущества и
недостатки. Отчетливо видно, что по отдельности они не могут обеспечить
необходимого уровня износостойкости. Поэтому для повышения работоспособности топливного насоса высокого давления необходимо рассматривать повышение ресурса плунжерных пар по двум направлениям: упрочнение и восстановление рабочих поверхностей.
4.2 Влияние технического состояния плунжерных пар на выходные параметры топливного насоса и технико-экономические показатели дизеля
Топливоподающая аппаратура непосредственно осуществляет необходимую для каждого конкретного двигателя расчетную характеристику
впрыска топлива. В процессе эксплуатации детали топливной аппаратуры
изнашиваются. Износы имеют различную природу в соответствии с условиями работы деталей аппаратуры. Износы непрецизионных деталей, кроме случаев аварийных отказов, приводят к смещению основных точек ре214
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
гуляторной характеристики и компенсируются, в основном, повторной регулировкой аппаратуры или заменой деталей в соответствии с техническими требованиями к ним.
Наибольшее влияние на работу дизельной топливной аппаратуры
оказывает износ плунжерных пар. Определяющим видом изнашивания является гидроабразивное. В топливе всегда имеются твердые механические
частицы. Современные фильтры тонкой очистки топлива не в состоянии
отделить частицы менее 0,002 мм. Предусмотренный технологией отстой
топлива не всегда осуществим в условиях рядовой эксплуатации, а частицы менее 0,001 мм удерживаются во взвешенном состоянии в топливе даже после длительного отстоя. Процесс топливоподачи характеризуется
большими перепадами давления. Топливо, перетекая из полостей низкого
давления, увлекает за собой твердые механические частицы, которые снимают с поверхности прецизионных деталей микростружку. Как правило,
плунжерные пары в результате такого вида изнашивания имеют местный
износ. В результате износа плунжерных пар снижается цикловая подача и
растет неравномерность топливоподачи по секциям насоса [6, 34, 308].
При повторной регулировке топливного насоса высокого давления
для обеспечения необходимой цикловой подачи, увеличивают активный
ход плунжера. Количество подаваемого топлива возрастает, но растягивается при этом продолжительность впрыска, а при условии сохранения момента начала подачи топлива насосом эта увеличенная доза топлива приходится на конец впрыска, то есть на догорание.
В.И. Толшин показал [265], что при изношенных плунжерных парах,
за счет увеличения продолжительности подачи топлива, заметно ухудшается
экономичность процесса сгорания вследствие снижения эффективности использования заключительных порций топлива. При этом сгорание последних
порций топлива переносится на этап выпуска, вызывая при этом повышение
теплонапряженности поршневой группы, деталей линии выпуска отработавших газов и лопаток турбины.
Из-за увеличения продолжительности впрыска распылитель форсунки за каждый цикл длительнее подвергается воздействию продуктов
сгорания. Его средняя температура за цикл возрастает от 180…190° до
200…210° С. Надежность его снижается [53].
Плунжерные пары на одном насосе работают практически в одинаковых условиях, но износ у них разный [239]. Дело в том, что в настоящее время плунжерные пары при комплектовке в один насос проверяют на гиревых
стендах по гидроплотности. Из-за большой погрешности метода в один комплект попадают плунжерные пары с неодинаковым техническим состоянием.
Это является причиной неравномерного износа плунжерной пары в эксплуатации, а и х неравномерный износ увеличивает неравномерность топливоподачи [299].
Зазор в плунжерных парах рядных топливных насосов находится в
пределах 0,6…1,6 мкм. При увеличении зазора в плунжерной паре
215
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(уменьшении ее гидроплотности) уменьшается производительность насосной секции, а угол начала впрыска смещается в сторону запаздывания.
Кроме того, изменяется продолжительность впрыска топлива. Если, при
большой частоте вращения кулачкового вала, вследствие высокой скорости перемещения плунжера и малой продолжительности процесса топливоподачи изменение зазора в плунжерной паре в широком диапазоне
(0,6…14 мкм) практически не влияет на основные показатели впрыска
[298], то при работе на пусковом режиме увеличение зазора приводит к
существенному изменению показателей процесса. В результате в линии
нагнетания позднее создается давление, достаточное для отрыва иглы распылителя от ее седла, а после отсечки давление в линии нагнетания падает
быстрее. В конечном итоге уменьшается коэффициент подачи, увеличивается угол запаздывания впрыска топлива и сокращается общая продолжительность впрыска.
На основании результатов исследования [298] установлено следующее влияние износа плунжерных пар на подачу топлива:
- износ плунжерных пар значительно снижает производительность
ТНВД;
- наибольшие потери цикловой подачи топлива, имеющие место на
пусковых оборотах (100…200 мин-1), составляет до 70-73% от подачи новых плунжерных пар;
- с увеличением частоты вращения перетекание топлива у изношенных плунжерных пар уменьшается, однако и при номинальных оборотах
производительность все же меньше на 35% при максимальном износе, чем
насоса с новыми парами;
- на пусковых оборотах потеря производительности насоса настолько велика, что не обеспечивает пуск дизеля.
При износе плунжерных пар резко возрастает неравномерность подачи топлива, особенно на пусковых оборотах [280]. Если насос с новыми
плунжерными парами имеет неравномерность подачи 7%, то при изношенных плунжерных парах она возрастает до 63%. Причиной такого нарушения неравномерности подачи является наличие неодинаковых начальных зазоров в комплекте плунжерных пар. При активном ходе плунжера происходят неодинаковые перетекания топлива, результатом чего является высокая неравномерность цикловой подачи топлива [5].
Изношенные пары подают значительно меньше топлива, чем новые.
Плунжерные пары с предельным износом подают мало топлива и самовыключаются при малых активных ходах.
Анализируя влияние износа плунжерной пары на подачу топлива
можно отметить [134]:
- изношенные плунжерные пары не обеспечивают подачу необходимого количества топлива на малых оборотах и при малых активных ходах
плунжера;
216
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- плунжеры с местным износом 20…25 мкм при половинном и меньшем активном ходе самовыключают подачу на всех оборотах вала насоса.
При неравномерной или завышенной подаче топлива цилиндр дизеля работает с перегрузкой, т.е. не в оптимальном режиме. При ее увеличении возрастает среднее индикаторное давление, уменьшается коэффициент избытка воздуха, повышается температура выхлопных газов и температура деталей: клапанов, головки, поршня, колец [20].
На современных форсированных дизелях неравномерность подачи
топлива оказывает значительно большее влияние на изменение экономических показателей, чем на нефорсированных. Поэтому при оценке неравномерности подачи топлива следует учитывать изменения тепловой напряженности, требований к смазочным маслам и экономических показателей
двигателей.
При увеличении подачи топлива значительные трудности представляет осуществление отвода теплоты, т.к. абсолютное количество тепла, не
превращаемого в работу, возрастает. Повышение тепловой напряженности
может представлять опасность для основных деталей двигателя: головки
цилиндров, клапанов, поршня, гильзы цилиндров.
В применяемых в настоящее время двигателях водяного охлаждения увеличение среднего эффективного давления (Р е) на 0,1 МПа приводит
к повышению максимальной температуры поршня на 10…25° С, головки
блока – примерно на 10° С.
Для двигателей с воздушным охлаждением наибольшую опасность
представляет повышение температуры головки цилиндров. При повышении Ре на 0,1 МПа температура головки возрастает примерно на 45° С.
Эти данные свидетельствуют о том, что при анализе работы отдельных конструкций двигателей необходимо учесть возможные изменения тепловой напряженности при увеличении неравномерности подачи топлива.
При увеличении нагрузки отмечается рост температуры распылителя форсунки. Многими исследователями Крючков Е.А. [131], Лышевский
А.С. [163], Мазаев Ю.В. [272], Фельдман Л.Б. [281] установлена зависимость увеличения температуры деталей цилиндропоршневой группы двигателя от состава и полноты сгорания рабочей смеси.
Если изменить цикловую подачу топлива для двигателя Д-240, чтобы мощность изменилась с 75 до 80 л/с при n=2200 мин-1, то Ре изменится с
0,64 до 0,69 МПа. Коэффициент избытка воздуха изменится с 1,6 до 1,3,
часовой расход топлива увеличится примерно на 13%.
Напряженность работы дизельного двигателя повышается почти в 2
раза, а это значит, что для перегруженных цилиндров необходимо иметь новый, более качественный и более дорогостоящий сорт масла для обеспечения
надежной работы [323].
Исходя из анализа показателей работы форсунок на разных режимах, можно сделать вывод, что для двигателя Д-240, отрегулированного на
217
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мощность 75 кВт, длительная работа с неравномерностью подачи равной
13%, недопустима и приведет к ухудшению надежности работы [9].
Одним из определяющих факторов при оценке допустимой подачи
топлива является изменение экономичности работы дизеля [309].
Изменение экономичности при изменении нагрузки (цикловой подачи топлива) зависит не только от характера изменения удельного расхода в зависимости от нагрузки на выбранном скоростном режиме, но и от
исходного режима работы, который выбирается как нормальный [308].
Так, например, если номинальная мощность должна быть равной 75
л/с, то при скоростном режиме 2000 мин-1 Ре=0,66 МПа, удельный расход
топлива равен 240 г/кВт.ч. При увеличении нагрузки на 20% удельный
расход топлива возрастает на 11 г/кВт.ч.
Но двигатель Д-240 в соответствии с техническим заданием должен
обеспечивать 75…80 л/с при 2200 мин-1. При мощности 80 л/с среднее эффективное давление равно 0,69 МПа, удельный расход топлива 260 г/кВт.ч.
В случае увеличения нагрузки на 10% удельный расход топлива возрастает
до 270 г/кВт.ч., а при увеличении ее на 20% удельный расход возрастает
до 280 г/кВт.ч., т.е. двигатель переходит на режим недопустимой нагрузки.
Из этого примера следует, что увеличение неравномерности подачи топлива по цилиндрам двигателя выше 10% выводит за допустимые техническими условиями значения удельных расходов топлива.
Приведенные данные свидетельствуют о необходимости поисков
путей уменьшения исходной неравномерности подачи топлива, т.к. принятое общее направление по форсированию двигателей не может быть осуществлено без повышения требований к топливной аппаратуре и уменьшению неравномерности подачи топлива.
Одна из причин неисправности топливного насоса – заклинивание
(зависание) плунжерных пар [7]. Зависание плунжера относительно втулки
в верхнем положении приводит к выключению подачи топлива этой секцией. При заклинивании его в нижнем положении происходит остановка
насоса, срез шпоночных соединений, поломка толкателя, подшипников и
других деталей.
Зависание плунжеров вызывает заклинивание рейки ТНВД. Двигатель может не запускаться. При частичном схватывании наблюдается неустойчивая частота вращения коленчатого вала двигателя.
Наиболее частой причиной зависания и нарушения подвижности
плунжерных пар является попадание воды в зазор прецизионных деталей
[4, 11]. При этом на трущихся поверхностях нарушается смазывающая топливная пленка, плунжер начинает работать без смазки. Происходит задир
прецизионных поверхностей, их нагрев и заклинивание. Присутствие в топливе воды вызывает коррозию плунжера и втулки. На прецизионных поверхностях образуется оксидная пленка толщиной до 0,002 мм с высокой
шероховатостью, что вызывает заклинивание плунжера во втулке.
218
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Снижение цикловой подачи и изменение закона подачи является
следствием изменения гидродинамических процессов, происходящих в топливной аппаратуре. Отклонение параметров рабочего процесса от оптимальных значений также могут являться результатом колебания геометрических размеров, как отдельных деталей, так и их сопряжений.
В связи с этим при подборе в комплект насоса попадают пары с
различным исходным техническим состоянием, которое в дальнейшем определяет характер и темп нарастания изнашивания. Неравномерное изменение параметров подачи топлива также обусловлено последующим влиянием регулировочных операций, при помощи которых компенсируется неоднородность плунжерных пар в комплекте по зазору, активному ходу, углам сверления отверстий втулки, углу наклона винтовой кромки плунжера,
конусности, овальности [8, 10].
Весьма неблагоприятно на долговечности топливной аппаратуры
сказывается подбор в комплект насоса плунжерных пар с различным исходным техническим состоянием. Существующие способы контроля плунжерных пар при комплектовании их в рядный топливный насос высокого давления, базирующийся на статистической гидравлической опрессовке, не в
состоянии дать объективную оценку рабочих качеств плунжерных пар [7, 9,
137, 162, 274, 310, 312].
Эксплуатация сельскохозяйственных тракторов характеризуется
весьма разнообразными режимами работы их агрегатов и систем, зависящих от большого числа факторов различной значимости. В общем случае
эксплуатационные показатели, производительность, топливная экономичность и надежность тракторов зависят от природных, производственных,
эксплуатационных и конструктивно-технологических факторов. Сельскохозяйственные тракторы выполняют широкий круг работ: полевые, транспортные, стационарные и ряд других. Каждая из них отличается нагрузкой
двигателя, длительностью его функционирования и долей использования
трактора на данной работе. С точки зрения нагрузки двигателя все работы
можно объединить по видам: работа при рабочем ходе машиннотракторного агрегата (основной вид, характеризуемый высокой степенью
нагрузки двигателя); работа двигателя при холостом ходе агрегата; холостой ход двигателя при стоянках и остановках.
Средняя степень нагрузки двигателя по мощности по всей номенклатуре выполняемых работ определяется по формуле [84]:
 = =1   / =1  ,
(4.1)
где ENei – нагрузка двигателя по мощности при выполнении работ
i-го вида;
Аi – продолжительность работы i-го вида.
На основании статистических данных, по фактическому удельному
весу работ в течении года, 25-27% общего времени использования трактора приходится на долю транспортных работ. Среднесуточная загрузка дви219
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
гателя на транспортных работах ENecp = 0,6. Полевые работы в общем комплексе составляют 63% (в том числе вспашка – 37%, дискование – 8%,
культивация – 5%, посев -5%) и 11% приходится на прочие работы (погрузочно-разгрузочные, стационарные и др.) [211].
Средняя степень загрузки по всей номенклатуре выполненных за
год работ для гусеничных тракторов класса 3 составляет 74,8%, а колесные
трактора класса 1,4 имеют среднюю загрузку двигателя 69% в год [212].
Наряду с большим разнообразием работ, выполняемых сельскохозяйственными тракторами, и связанной с ним высокой степенью неравномерности и сезонностью загрузки следует отметить, что значительные колебания в режимах эксплуатации двигателей, вызвает нестабильность рабочих процессов и операций (частые пуски и длительные остановки двигателя, частые разгоны и торможения, кратковременные перегрузки).
Режимы работы тракторов и двигателей делят на установившиеся,
при которых их основные показатели с течением времени не меняются, и
неустановившиеся - при которых основные показатели претерпевают изменения во времени (все одновременно или хотя бы один из них).
Установившимся является режим работы двигателя при условии
постоянства во времени параметров, определяющих его рабочий процесс
(ω, α, ηi, ηv, ηм, и т.д.). В этом случае имеет место статистическое равновесие между крутящим моментом и моментом сопротивления [284]:
Мк − Мс = 0.
(4.2)
В связи с неидентичностью последовательных циклов, что свойственно особенно многооборотным двигателям, и наблюдаемой обычно нестабильностью частоты вращения, принимаются во внимание усредненные
по времени значения параметров. Последовательная совокупность показателей на установившихся режимах является статической характеристикой
двигателя, которая представляется в виде графической зависимости показателей рабочего процесса от одного из параметров, который выступает в
качестве независимой переменной.
Неустановившиеся режимы характеризуются изменениями значений параметров от цикла к циклу в период перехода от одного установившегося режима к другому.
Переходной процесс – процесс переключения двигателя с одного
установившегося режима на другой – определяется динамической характеристикой двигателя. Последняя является последовательной совокупностью
показателей неустановившихся режимов и представляет собой зависимость во времени параметров двигателя, изменяющихся от цикла к циклу.
Переходные процессы вызывают изменения цикловой подачи топлива и
момента сопротивления Мс. Основным определяющим параметром в данном случае является относительное изменение подачи топлива: т =
ц 2 − ц (1 )/ ц 1 , а дополнительным – период изменения подачи
топлива Т и характер изменения момента сопротивления от частоты вращения коленчатого вала: Мс=f(n).
220
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из этого типа переходных процессов можно выделить два наиболее
характерных вида, обусловленных: увеличением и уменьшением частоты
вращения коленчатого вала.
Из этих процессов можно выделить две основные группы, определяемые:
- постоянством qц в определенной точке скоростной характеристики
топливной аппаратуры; ростом Мс (торможение за счет увеличения Мс);
уменьшение Мс (разгон за счет снижения Мс)
- постоянством n, точнее, изменением его в зоне неравномерности
регулятора (подача топлива изменяется под воздействием регулятора частоты вращения); работа двигателя по регуляторной ветви может сопровождаться: возрастанием Мс с одновременным увеличением qц – увеличение
нагрузки или снижением Мс с одновременным уменьшением qц – уменьшение нагрузки.
В режимах разгона двигателя за счет увеличения цикловой подачи
топлива qц различают две фазы переходного процесса.
Первая фаза отличается резкими и значительными изменениями параметров рабочего процесса, что обусловлено нарушением топливоподачи в
первых циклах после резкого перемещения дозирующего органа топливного
насоса; интенсивным изменением частоты вращения коленчатого вала; нарушением процесса наполнения, что особенно характерно для двигателей с
газотурбинным наддувом. В зависимости от типа двигателя и системы воздухоснабжения первая фаза может длиться от нескольких секунд до 20-30
секунд.
Продолжительность второй фазы составляет от 3…5 до 25…30 мин.
Она определяется временем, необходимым для прогрева двигателя. Для этой
фазы характерно монотонное изменение параметров в относительно малых
пределах с достижением в конце ее значений, свойственных установившемуся режиму.
Следует отметить, что в условиях неустановившихся режимов показатели рабочего цикла и основные параметры двигателя в значительной
мере отличаются от соответствующих значений в установившихся режимах при проведении тормозных испытаний по типовой методике. Работа
систем на неустановившихся режимах по сравнению с установившимися
режимами приводит к снижению мощности и ухудшению топливной экономичности, а также увеличению неравномерности работы и износу цилиндров, повышению дымности и токсичности отработавших газов,
уменьшение цикловой подачи топлива составляет 20…40%.
4.3 Пути повышения эффективности работы топливной аппаратуры дизельных двигателей
В настоящее время значительная часть дизелей тракторов, комбайнов в предприятиях АПК имеют эксплуатационные показатели работы,
221
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
значительно отличающиеся от оптимальных значений: пониженную в
среднем на 15% мощность, повышенный в среднем на 20% расход топлива
и дымность отработавших газов [16].
Основными причинами пониженных мощностных, экономических
и экологических показателей являются: низкое качество топлива, время
наработки, несовершенство методов и средств ремонта и технического обслуживания. Все эти показатели приводят к потерям около 220 тыс. тонн
топливо-смазочных материалов за год [16].
Указанные ухудшения эксплуатационных показателей топливной
аппаратуры тракторных дизелей вызваны рядом причин. В процессе эксплуатации у дизелей на систему питания приходится 60% отказов, из них
более 70% приходится на изнашивание прецизионных деталей, в основном
на плунжерные пары, ресурс которых составляет 1…4 тыс. мото-ч [305].
Поэтому повысить эффективность работы топливной аппаратуры можно за
счет повышения ресурса плунжерных пар.
Значительный вклад в развитие и совершенствование существующих систем питания, разработку принципиально новых конструкций насосов и форсунок, новых способов восстановления и ремонта прецизионных
деталей топливной аппаратуры, методов контроля, испытания и оценки
технического состояния узлов и деталей топливной аппаратуры внесли такие ученые, как А.В. Николаенко [189], В.В. Антипов [7, 8], Р.М. Баширов
[17], В.Н. Бугаев [29], И.И. Габитов [54], Б.П. Загородских [87], П.М. Кривенко [122], Ю.В. Неговора [188], Е.А. Пучин [229], Б.Н. Файнлейб [276],
С.Н. Шарифулин [299], В.М. Юдин [306], Ю.М. Хаширов [287] и другие
ученые.
Анализ теоретических и экспериментальных исследований методов
повышения ресурса прецизионных пар, позволил разработать классификацию существующих направлений, представленной на рисунке 4.6.
Данные направления можно разделить на две группы: конструктивные и эксплуатационные. Конструктивные методы включают в себя изменения расчетно-конструктивных параметров прецизионных пар и совершенствования технологии изготовления отдельных деталей. Эксплуатационные
методы связаны с обеспечением благоприятных условий работы трущихся
деталей за счет совершенствования существующей технологии ремонта и
обслуживания, а также более эффективной очистки топлива.
Ряд ученых, таких как А.И. Толстов [265], посвятили свои работы
оптимизации конструктивных параметров прецизионных пар. Исследования [265] показали, что при работе прецизионных деталей на чистом дизельном топливе в течение 700 ч работы процесс изнашивания практически
прекращается и зазор стабилизируется на уровне 2,2 мкм, что превышает
исходный на 1 мкм. При комплектовании топливной аппаратуры прецизионными парами с максимальным зазором ресурс снижается до 2500 часов.
Комплектование ТНВД прецизионными парами с различными зазорами
приводят не только к нарушению топливоподачи, но и не обеспечивают
222
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
подачу необходимого количества топлива на малых оборотах и при малых
активных ходах плунжера. Смазывание деталей прецизионных пар топливной аппаратуры осуществляется дизельным топливом, смазывающие свойства которого не достаточны для обеспечения длительной работы в условиях повышенного трения. К тому же физико-химические свойства дизельного топлива сильно зависят от его состава и состояния окружающей
среды.
Направления повышения ресурса прецизионных пар дизельной топливной аппаратуры
Конструктивные
Эксплуатационные
Оптимизация конструктивных параметров
Повышение точности сборки, монтажа и регулировок
Улучшение трибологических свойств
смазочной среды
Обеспечение качественной
приработки прецизионной
пары
Снижение присутствия воды в топливе
Обеспечение герметизации, повышение надежности уплотнений
Упрочнение прецизионных пар
Рисунок 4.6 – Направления повышения ресурса прецизионных пар дизельной
топливной аппаратуры
По ГОСТ 305-88 кинематическая вязкость при 20°С должна быть в
пределах 1,8…5,0 мм2/с. Н.И. Итинская в своей работе упоминает о положительном влиянии увеличения вязкости топлива на уменьшение величины изнашивания прецизионных пар [246]. В тоже время чрезмерное увеличение вязкости топлива ведет к нарушению работы топливной аппаратуры.
Как уже было сказано в процессе эксплуатации дизельной техники
более 50% отказов приходится на топливную аппаратуру. Причиной неис223
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
правностей является наличие абразивных частиц в топливе, поступающих из
воздуха.
Установлено [265], что топливные фильтры на автотракторных дизелях не обеспечивают достаточной степени очистки топлива от механических
примесей, которые свободно проникают к прецизионным деталям топливной
аппаратуры. Топливные фильтры способны удерживать частицы крупнее 2
мкм. Предусмотренный технологией отстаивание топлива не всегда осуществимо в условиях рядовой эксплуатации, а частицы менее 1 мкм удерживаются во взвешенном состоянии в топливе даже после длительного отстаивания.
Для дизельной топливной аппаратуры необходимо топливо высокой
чистоты. По ГОСТ 2177-99 механические примеси в дизельном топливе
должны отсутствовать. По данным А.И. Селиванова [245] в дизельном топливе, по пути его следования к месту доставки, концентрация абразива возрастает более чем в 100 раз и содержит 100…120 г загрязняющих примесей на 1 т
топлива.
При работе дизельной техники, при запыленности воздуха 1…1,25
3
г/м содержание загрязняющих примесей в топливе к моменту его выработки в 2…3 раза больше, чем в момент заправки. Количество загрязняющих примесей в топливных баках автомобилей и тракторов находится в
прямой зависимости от запыленности района и времени года эксплуатации
и достигает 200…300 г на 1 т топлива.
Проблеме повышения качества обкатки узлов и агрегатов автотракторной техники посвящены работы многих исследователей: Д.Н. Гаркунова [57], И.В. Крагельского [123], П.М. Кривенко [126], А.В. Николаенко
[190], В.В. Стрельцова [255], В.И. Цыпцына [293] и др.
В процессе обкатки происходит изменение шероховатости поверхности трения и изменение физико-механических свойств поверхностных
слоев материала. За время приработки частично устраняется вредное влияние погрешностей механической обработки деталей. Не смотря на соблюдение технических условий, при сборке все же неизбежны неточности взаимного расположения деталей и искажение их геометрических форм, что
также частично устраняется в процессе приработки.
Повышение качества приработки узлов и агрегатов достигается изменением режимов и условий проведения обкатки – нагрузки, частоты вращения, длительности режимов, температуры; применением специальных приработочных присадок и повышением качества рабочих поверхностей деталей.
Анализ публикаций по повышению работоспособности топливных
насосов высокого давления показал, что многие из них направлены на теоретическое обоснование повышения износостойкости восстановленных
плунжерных пар.
Начало работ, связанных с влиянием технического состояния плунжерных пар на работоспособность топливного насоса высокого давления
связаны с трудами Файнлейба Б.Н. [276, 277]. В них дается теоретическая
зависимость цикловой подачи от зазора плунжерной пары.
224
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Одним из основоположников данного направления Ю.М. Хашировым [287], для выполнения расчетно-теоретического анализа влияния технического состояния элементов топливного насоса на параметры топливоподачи была разработана математическая модель гидродинамического
расчета процесса топливоподачи с учетом утечек топлива через прециз ионные элементы топливного насоса:
 ∙ п =
 ∙н

2
∙ н + 1 ∙ 0 ∙ 0

∙ н + г + 1 ∙  ∙ 
2

∙ н + н1 +
+1 ∙  ∙  + 1 + 2 ,
т ∙ т1 = 1 ∙  ∙ 
1
пн

2

∙ н + н1 + 1 ∙  ∙  −  ∙  1 ∙
2
= −  ∙ 



н1

∙ 2 ,
, (4.3)
∙ н + н1 + 1 ∙  ∙  ,
=  ∙ н − н1 −  ∙ 0 − пк ∙ 1 ,


=  ∙ 1 .
где  ,  , т , 0 - площади поперечного сечения плунжера, нагнетательного клапана, канала топливопровода, окон втулки плунжера;
п ,  - скорость движения плунжера и нагнетательного клапана;
,  - коэффициенты сжимаемости и плотности топлива;
1
н , н1 , пн
- объем в полости нагнетания плунжерной пары,
штуцера насоса, свободные объемы в полостях насоса;
н , н1 , г , 0 - давления в полости нагнетания плунжерной
пары, полости штуцера, в головке насоса, открытия нагнетательного клапана;
 0 0 ,    - эффективные проходные сечения окон втулки,
щели между нагнетательным клапаном и седлом;
1 , 2 - расходы топлива в золотниковой и поршневой частях
плунжера;
т1 - скорость движения топлива во входном сечении топливопровода;
 - масса движущихся частей нагнетательного клапана;
,  – время и скорость распространения волны давления;
 - подъемы нагнетательного клапана;
пк - жесткость пружин нагнетательного клапана;
В своей работе Наумов О.П. [182 - 187,] эффективность использования МТА при выполнении технологических процессов оценивал путем
снижения затрат и удельного расхода топлива, на котором эксплуатируется энергосредство. В общем виде, удельные затраты на топливо для газодизельных энергосредств, представил зависимостью:
С тгд 
Цг
Ц
 (Gгр  Т р  Gгх  Т х  Gго  Т о )  дт  (Gдр  Т р  Gдх  Т х  Gдо  Т,о (4.4)
)
Wч
Wч
225
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где где Стг д – удельные затраты на топливо в газодизельном режиме, руб/га;
Цг , Цдт – цена газа и дизельного топлива, руб/кг;
Wч-производительность, га/ч;
Gг р , Gг х , Gго , Gдр , Gдх , Gдо- часовые расходы газа и дизельного топлива при рабочем и холостом ходе, остановке агрегата, кг/ч.
Данный подход к повышению эффективности использования дизельной техники вызывает интерес, но в целом предлагаемый переход на
смесь дизельного топлива и газа требует больших вложений, процесс переоборудования весьма трудоемкий.
Шарифуллин С.Н. [299] к вопросу повышения работоспособности
подошел с точки зрения зависимости ресурса плунжерной пары от развиваемого ей давления:
 = 0,1 ∙ 0 −  + 1,
(4.5)
где А – постоянная, характеризующая влияние начальной плотности;
k – коэффициент, учитывающий интенсивность износа плунжерных пар;
t – продолжительность эксплуатации;
0 - давление, развиваемое плунжерной парой при первоначальной гидравлической плотности (0 );
 - давление, развиваемое плунжерной парой при гидравлической плотности соответствующей .
Анализ научно-технической литературы и экспериментальных работ показал, что причинами нарушения работоспособности топливных насосов и низкого ресурса плунжерных пар является высокая скорость изнашивания рабочих поверхностей плунжерных пар, неравномерность подачи
топлива по секциям. Повышение ресурса плунжерных пар позволит повысить эффективность использования дизельной техники. Нарушение топливоподачи связано с перетеканием топлива в зазор между плунжером и
втулкой Анализ способов повышения эффективности топливной аппаратуры: восстановление работоспособности плунжерных пар (гальваника,
диффузионная металлизация, применение присадочных материалов, технологии безразборного восстановления поверхности и т.д.), изменение
конструктивных параметров показал, что повышение эффективности топливной аппаратуры не может быть обеспечена рассмотренными направлениями.
4.4 Теоретические основы повышения ресурса ТНВД дизельных двигателей и прогнозирование долговечности плунжерных пар
Топливные насосы высокого давления входят в состав системы питания дизельной техники, который можно представить как самостоятель226
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ную сложную техническую систему, представленную в виде иерархической схемы (рисунок 4.7).
Особую значимость среди всех рабочих поверхностей деталей
машин имеют рабочие поверхности деталей, контактирующих друг с
другом. При формировании надежности для данной группы деталей определяющим параметром выступают свойства поверхностного слоя в сочетании с формой этих деталей.
Составными частями ТНВД выступают узлы и детали в виде
корпуса, нагнетательных клапанов, кулачкового вала, топливоподкач ивающего насоса и плунжерных пар. Низшими элементами иерархической схемы насоса являются: рабочая поверхность плунжера, контактирующая с рабочей поверхностью втулки. Данные рабочие поверхности
обеспечивают подачу топлива с высоким давлением, поэтому контактирующие между собой рабочие поверхности, должны обеспечивать максимальную герметизацию контакта, чтобы предотвращать перетекания
топлива в зазор. В тоже время минимизация этого зазора без применения дополнительных мер и материалов приводит к схватыванию контактируемых рабочих поверхностей.
При работе топливного насоса происходит перемещение плунжера,
относительно неподвижной втулки с высокой скоростью (до 2 м/с).
Причинами износа рабочих поверхностей плунжерных пар являются следующие факторы: свойства рабочих поверхностей деталей, режимы
работы насоса и качество топлива.
Рисунок 4.7 – Иерархическая схема топливного насоса высокого давления
227
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Свойства рабочей поверхности детали (K1) характеризуются такими параметрами как: микротвердость поверхности (HV), шероховатость поверхности (Ra) и коэффициент трения (k), которые имеют зависимость:
К 1  f ( H v , Ra , k )
(4.6)
Режим работы насоса (K2) определяется следующими параметрами: частота вращения кулачкового вала (v) и гидравлическая плотность
плунжерной пары (ηi), имеют следующую зависимость:
(4.7)
К 2  f (v, i )
Среда контактируемых деталей – топливо (K3) характеризуется такими параметрами как концентрация абразива (C), температура (T) и вязкость топлива (η), которые могут быть представлены в следующей зависимости:
K 3  f ( , T , С )
(4.8)
Ресурс топливного насоса можно представить в следующем виде:
U  f ( K1 , K 2 , K 3 )
(4.9)
Расход топлива является основным параметром характеристики работы любого ТНВД. Изменение расхода топлива для разных ТНВД при
одинаковых наработках будет разным. Это изменение зависит от состояния
плунжерной пары, вернее от создаваемого ею давления. Развиваемое
плунжерной парой давление связано с общим износом деталей плунжерной пары. Оно определяется износостойкостью сопрягаемых поверхностей
деталей, как плунжерной пары, так и остальных соединений. Следовательно, закономерность характеристики работы ТНВД будет одинакова
для всех типов топливных насосов.
Для перехода к описанию характеристики работы любого типа
ТНВД необходимо определить функциональную зависимость между развиваемым давлением ТНВД, его наработкой и интенсивностью износа сопрягаемых поверхностей деталей плунжерной пары. При определении
данной функциональной зависимости воспользуемся известным выражением [300] для гидравлической плотности плунжерных пар:
   0  А  kt
(4.10)
где η0 – исходная плотность;
А – постоянная характеризующая влияние начальной плотности;
k – коэффициент, учитывающий интенсивность износа плунжерных пар;
t – продолжительность эксплуатации.
Логарифмируя это выражение можно найти ресурс работы плунжерных пар:
lg  0  lg  пред
t пред 
(4.11)
k  lg A
где ηпред – предельно допустимая в эксплуатации плотность.
228
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для более полного анализа надежности новых плунжерных пар необходимо построение модели формирования отказов, которая отражает
процессы, изменяющие выходные параметры.
Рисунок 4.8 – Модель формирования ресурса плунжерных пар
На рисунке 4.8 представлена модель формирования ресурса плунжерных пар. Внезапный отказ плунжерных пар связан с попаданием в топливо воды и как следствие схватывание и коррозионное действие, что
приводит к замене плунжерных пар.
Поступающие в качестве запасных частей плунжерные пары имеют
начальное рассеивание f(b) по гидравлической плотности. В процессе эксплуатации гидроплотность плунжерных пар снижается по ряду причин,
которые обуславливают время работы плунжерных пар или достижения
предельного износа Sпред (минимальной гидравлической плотности).
Основным параметром, влияющим на ресурс плунжерных пар, является зазор между плунжером и втулкой. Динамика изменения зазоров
плунжерных пар представлена зависимостью [163]:

S    прtпрпр  ctc c
(4.12)
где Δ – координата середины поля допусков сопряжения; υ пр, υ с –
величины, характеризующие интенсивность изнашивания плунжерной пары в период приработки и эксплуатационных условиях; δ пр , δс – соответственно, интенсивность изменения изнашивания плунжерной пары в зависимости от наработки.
229
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 4.9 - Динамика износа новой (1) и упрочненной (2) плунжерной пары:
1 – новая плунжерная пара; 2 – упрочненная плунжерная пара; S нач -величина начального зазора, мкм; S доп - величина допустимого зазора, мкм; S пр - величина предельного
н
зазора, мкм; t доп
- наработка плунжерной пары при допустимом значении зазора, мото-
н
у
ч; t пр
-наработка плунжерной пары при придельном значении зазора, мото-ч; t доп
- на-
работка упрочненной плунжерной пары при допустимом значении зазора, мото-ч; t пру наработка упрочненной плунжерной пары при придельном значении зазора, мото-ч.
Следовательно, средний ресурс плунжерной пары зависит от ис
ходного, технологического зазора, т.е. от суммы S     пр t прпр , предельно допустимого зазора Sпр , а так же от параметров υ с и δс.
Так как, ресурс плунжерной пары после приработки связан с его
( S пр  S нач )
износостойкостью соотношением t   c
, то его значение можно
с
увеличить за счет уменьшения Sпр , υ с и δс. Поэтому основным условием
создания новой технологии восстановления изношенных поверхностей
является оптимизация технологического зазора Δ, улучшением прирабатываемости восстановленных плунжерных пар с целью уменьшения суммы

S    прtпрпр и коэффициента интенсивности износа υ с.
Если прирабатываемость пары трения низкая, то в период обкатки
изделия возможны задиры, заедания и большой износ, что приводит к снижению ресурса плунжерной пары и, следовательно, к преждевременному
ремонту топливного насоса.
Определение среднего ресурса и коэффициента его вариации по
формуле (4.7) предполагает, что экспериментально установлены статистические законы распределения υ с, δс, υ(S), а значение Sпр задано в технических требованиях на ремонт топливных насосов.
230
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Закон распределения υ(S) устанавливается микрометражными исследованиями плунжерных пар насосов, поступивших на ремонт.
Если нет статистической информации о процессах изнашивания
рабочих поверхностей деталей, собранный методом разовых замеров или
микрометражных исследований, имеющий вид {Si, τi}, i=1,…,N, где Si –
значение износа i-той плунжерной пары при наработке τ i; N – количество
исследованных плунжерных пар.
Если износ детали после приработки подчиняется зависимости
S  сt  с , то очевидно при положительных δ с и tнач = 0, S= Sнач (рис.4.4).
Рисунок 4.10 График распределения зазоров от наработки

Кривую S  сt с при данном δс>0 можно провести через точку
(Sпр , tпр =tк-tнач, где tнач – наработка сопряжения до приработки) – достаточно

выбрать с  S / tпрс .
Среднее значение скорости изнашивания на участке кривой от начала координат S= Sнач до точки (Sпр , tпр ) [78]:
t k t нач _
_
S

t пр
S ( )d
0
t k  t нач

_
 S ( )dt
0
,
t пр
(4.13)
откуда получаем
_
S
S (tпр )  Sнач (0)
tпр

S (tпр )
tпр

Sпр
tпр
.
(4.14)
Из формулы (4.14) следует, что
dS _
S
 S   c c t  c 1   c
dt
t
(4.15)
Как видно из формулы (4.15) значение скорости изнашивания в
точке (Sпр , tпр ) в δс раз отличается от среднего значения скорости изнашивания. Следовательно, при изменении аргумента функции (4.12) на 1%
степенная функция с показателем δ с меняется на δс%.
231
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из выше изложенного следует, что ресурс отремонтированного топливного насоса будет больше, чем ресурс нового насоса при выполнении
следующих условий:
1) интенсивность износа восстановленных плунжерных пар должна быть меньше, чем у новых насосов;
2) коэффициенты степенной функции (4.12) у восстановленных
плунжерных пар должны быть меньше, чем у новых.
Показатель δс с учетом полученных результатов находится по выражению [78]:
n
с 
 (x
j ,i 1
 m x )( y i  m y )
j
,
n
 (x
 mx )
j
j 1
n
где xj=lgtj ; yi=lgSi;
mx 
x
j 1
Тогда
n
j
my 
,
n
(4.16)
2
y
i 1
i
.
n
Ln δс= my - δсmx.
(4.17)
При известных υ с и δс ресурс i-й плунжерной пары Ti определяется
по формуле [78]:
1
 ( S пр  S нач )   c
Ti ( S пр )   i 
 ; s i(t)=Si(t) – Sнач,
 si (t ) 
(4.18)
Следовательно, средний ресурс i – той плунжерной пары
_
ti 
1 n
 Ti ( S пр )
n k 1
(4.19)
где n – число измерений наработки и зазора.
Стандартное отклонение вычисляется по формуле:
n
i 
 (t
k 1
_
i
 t)2
(2.20)
n 1
При распределении ресурса плунжерных пар по закону Вейбулла за
сдвиг распределения можно принять минимальное значение его ресурса,
определяемое по формуле [163]:
Tm in   c
( S пр  S нач ) c
S t 1,m ax
1+
,
(4.21)
где =1, = 
 + =1 ;  - определяется по таблице 8 [94] в
2
зависимости от заданного значения доверительной вероятности β и параметров формы a и b масштаба распределения Вейбулла =1 = с ∙ с .
232
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Значения a и b определяется по значению коэффициента вариации
V ресурса по таблице 4 [162].
С точки зрения надежности топливный насос с ресурсоопределяющими сопряжениями являетс системой последовательно соединенных деталей, т.е. при достижении предельного значения зазоров одного сопряжения насос снимается с эксплуатации.
При условии, что распределение ресурса каждого сопряжения подчиняется закону Вейбулла, то вероятность безотказной работы сопряжения
определяется из формулы:
,
(4.22)
где  =  − см;
Тогда оценка параметров распределения ресурса проводится следующим образом [163].
Для того чтобы рассматриваемая система топливного насоса в целом и ее элементы были в работоспособном состоянии, рабочие характеристики их должны лежать в некоторых допустимых пределах, определяемых функциональным назначением системы. Так, зазор в сопряжении
плунжерных пар, увеличивающийся при работе вследствие изнашивания
рабочих поверхностей, должен лежать в пределах. Зазор, определяемый
величиной линейного износа, представляется неубывающей функцией.
При достижении этой функцией предельного значения наступает отказ.
Обозначим через S(T) величину износа рабочей поверхности, соответствующей времени работы плунжерной пары T. Изменения S(T) во
времени (или относительно пути трения), называемые реализациями, обусловлены как внешними нагрузочно-скоростными факторами, так и ходом
физических процессов, протекающих на поверхностях трения [105] со скоростью изнашивания ψ.
Кроме того, вид реализаций S(T) зависит от начальных условий,
например от качества изготовления рабочей поверхности. Простейшее
предположение относительно изменения S(T) состоит в том, что оно носит
линейный характер [105]:
S(T) = S(T=0) + IST.
(4.23)
В общем случае, сохраняя предположение о линейном характере
изменения отдельной реализации, величины S(T=0) и скорость изнашивания IS являются случайными. В этом случае время безотказной работы или
путь трения до достижения предельного износа Smax определяется формулой [45]:
(4.24)
На рисунке 4.11 F(T) - вероятность того, что за время работы
плунжерной пары, равному T, реализация износа не пересечет границу
Smax; Ф(...) - функция Лапласа, определяемая уравнением
233
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(4.25)
Функция Лапласа табулирована, что позволяет сравнительно просто определить вероятность безотказной работы подвижного сопряжения.
Рисунок 4.11 - Графики зависимости линейного износа от пути трения
Рассмотрим прогнозирование параметрической надежности рабочих поверхностей с износостойким покрытием. Скорость изнашивания покрытия α - случайная величина с плотностью распределения f(α), остальные параметры модели не варьируются. Модель формирования параметрического отказа для этого случая показана на рисунке 4.12. Дополнительная временная ось S m ax определяет момент полного износа покрытия.
Рисунок 4.12 - Модель формирования постепенного износового отказа
234
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для нахождения плотности вероятности выхода монотонно изменяющегося во времени параметра u(t) за некоторые границы [R 1 , R 2 ] была получена следующая зависимость [105]:
(4.26)
где 1 (
.
)
- плотность распределения параметра  в момент времени
Очевидно, что при постоянной скорости изнашивания будем иметь
,
(4.27)
Плотность вероятности полного износа покрытия равна
 , = −


 , 0

  ∙  == −
 ,

 , 0

 ∙  =

( ,) 2

∙ ( ,).

(4.28)
Для рабочих поверхностей, изготовленных из однородного материала, выражение (4.23) определяет плотность вероятности постепенного
износового отказа. Для многослойной детали результат (4.28) является
промежуточным, необходимым для оценки полного износа трущегося
элемента.
В связи с тем, что скорость изнашивания основного материала в
данном случае постоянна, плотность распределения постепенного износового отказа F(t) соответствует плотности F ( t') с учетом сдвига временного аргумента
 , =  − ,
(4.29)
где γ = (Smax -a)/ β . Здесь Smax=[u(t)] - предельный износ;  - толщина покрытия;  - скорость износа.
Отсюда следует
(4.30)
Тогда вероятность безотказной работы за время Т будет равна
.
(4.31)
В частности, при нормальном законе распределения скорости изнашивания покрытия   вероятность безотказной работы определяется
соотношением:
,
где  - математическое ожидание скорости изнашивания.
235
(4.32)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.5 Методологический подход повышения ресурса плунжерных
пар и теоретическому обоснованию снижения общего расхода топлива
МТА
В настоящее время по восстановлению и упрочнению плунжерных
пар топливных насосов высокого давления имеется ряд технологий, основанных на применении известных способов [218].
Данные технологии имеют свои преимущества и недостатки. Исходя из недостатков каждого из применяемых способов, следует, что по отдельности они не могут обеспечить необходимого уровня износостойкости. Поэтому для повышения работоспособности топливного насоса высокого давления необходимо рассматривать повышение ресурса плунжерных
пар по двум направлениям: упрочнение и восстановление рабочих поверхностей.
Учитывая все недостатки каждого способа в отдельности и особенности износа плунжерных пар целесообразно говорить о том, что в отдельности
эти способы не обеспечивают износостойкость деталей. Нами предлагается
комбинированная технология восстановления плунжерных пар, которая позволяет увеличить работоспособность восстанавливаемых деталей. Способ
электроискрового восстановления является наиболее перспективным среди
других способов, но так как он имеет ряд недостатков (образование микротрещин, отслаивание восстановленного слоя), необходимо применить дополнительные технологические операции для получения необходимого результата.
Комбинированный способ восстановления и упрочнения (рис. 4.13)
плунжерных пар включает в себя следующие этапы: применение электроискровой обработки, ультразвуковая обработка и консервирование полученного покрытия. Данные технические операции могут применяться не только в
сочетании, но и отдельно друг от друга. Предлагаемый комбинированный
способ предназначен для плунжерных пар, вышедших из работоспособного
состояния.
Для повышения работоспособности плунжерных пар и топливного
насоса в целом, предлагается упрочнение рабочих поверхностей новых прецизионных деталей, путем нанесения тонкопленочных алмазоподобных покрытий. Учитывая геометрические параметры и точность соединения
плунжерных пар необходимо оптимизировать режимы обработки основных операций входящих в комбинированную технологию, таких как электроискровая обработка, безабразивная ультразвуковая финишная обработка, финишное плазменное упрочнение.
В настоящее время широко используется электроискровая обработка
(ЭИО) металлов в качестве способа восстановления деталей агрегатов
сельскохозяйственной техники. Технология электроискровой обработки
металлических поверхностей основана на использовании импульсного
электрического разряда, проходящего между электродами в газовой среде.
Сущность процесса в том, что при электроискровом разряде в такой среде
236
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
происходит разрушение материала электрода (анода) и перенос продуктов
эрозии на деталь (катод).
Рисунок 4.13 - Схема повышение ресурса плунжерных пар топливных насосов
высокого давления
Процесс ЭИН проводится как вручную, так и механизированно. В
обоих случаях перемещение электрода, продолжительность обработки, режимы, амплитуда и частота вибрации электрода выбирают так, чтобы покрытие было сплошным, равномерным, имело ровную светоотражательную характеристику.
В ряде случаев при восстановлении изношенных поверхностей в
пределах установленных посадок, электроискровая обработка является
финишной операцией, не требующей дополнительной обработки.
При электроискровом упрочнении (ЭИУ) перенесенный материал
электрода легирует металл детали и, соединяясь химически с диссоциированным атомарным азотом воздуха, углеродом и материалом детали, образует диффузионный износоустойчивый упрочненный слой [2, 3], состоящий из интерметаллидов, нитридов, карбонитридов, боридов, силицидов.
237
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Весовой баланс всех веществ, участвующих в ЭИО, может быть
выражен следующим уравнением [34]:
МО = МЭ - МЭ/ + МN2 + МО2 + МС,
(4.33)
где МО – общее приращение массы упрочняемого изделия;
МЭ – общая потеря массы упрочняемого электрода;
МЭ/ - потеря массы электрода на испарение и угар;
МN2, МО2, и МС - масса азота, кислорода и углерода поглощенного из воздуха, соответственно.
В качестве наплавочных материалов (электродов) для ЭИО используют сплавы, приведенные в таблице [34].
В процессе работы топливного насоса высокого давления зазор
обусловлен, прежде всего, износом плунжерных пар. Следовательно, необходимо повысить износостойкость рабочей поверхности, с целью повышения износостойкости сопряжения «втулка-плунжер».
Износ представляет собой процесс совместного действия абразивных частиц и жидкости, несущей эти частицы. Износ происходит в результате срезания микронеровностей с образованием микростружек, выбивания отдельных ее частиц, вымывания микроскопических объемов, внедрения жидкости, находящейся под высоким давлением, в дефектные очаги,
сопровождающегося расклинивающим действием.
В процессе восстановления плунжерной пары, рабочие поверхности
необходимо упрочнять. Учитывая особенности износа плунжерных пар
наиболее подходящими для восстановления и упрочнения является использование электроискровых технологий.
Как известно [36], в первом приближении линейную зависимость
прироста массы металла на поверхности детали при электроискровой наплавке и упрочнении за единицу времени можно представить в виде:
(4.34)
где ρ и V – плотность, г/мм3 и объем, мм3 металла перенесенного
на поверхность детали;
 - массовая скорость разрушения электрода за единичный искровой разряд, г/мин;
τи – длительность единичного импульса тока, мин;
m0 – масса разрушенного электрода за единичный искровой разряд,
выброшенная в окружающую среду, г;
υ и – частота импульсов тока, вырабатываемых генератором, Гц;
tоб – время обработки до насыщения поверхности детали наплавляемым материалом и достижении необходимой сплошности, с.
Общий слой электроискрового упрочнения, как показывают исследования [99], состоит из двух частей: верхний «белый» нетравящийся и
нижний диффузионный переходный слой с переменной концентрацией
элементов.
238
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Верхний слой образуется из перенесенных на поверхность частиц
электрода, частично легированных элементами воздуха. Второй слой образуется вследствие диффузии упрочняющего вещества вглубь материала
при значительно меньшей концентрации, чем верхний слой. Приближенно
можно принять, что процесс диффузии протекает по закону треугольника,
у основания которого концентрация диффундирующего вещества равна
100% на поверхности изделия, а при вершине его 0% (внутри изделия).
Поверхности детали и электрода при электроискровом упрочнении
разрушаются, процентное соотношение которых выражается величиной
:
,
(4.35)
ξк – объемное разрушение катода (детали), мм 3; ξа - объемное разрушение анода (электрода), мм3.
По данным автора [93], для различных пар «деталь-электрод» объем материала, переносимого на обрабатываемую поверхность в единицу
времени приближенно можно определить по формуле, мм 3/мин:
,
(4.36)
где A, ζ, ξ –коэффициенты, зависящие от свойств сопряженных
электродов, в частности, коэффициента теплопроводности, термического
удлинения, термического напряжения;
W=J·U·τи – энергия единичного искрового разряда, Дж;
J – сила тока единичного искрового разряда, А;
U – напряжение единичного искрового разряда, В;
τи – электропроводность материала электрода;
Сп – коэффициент переноса.
На микротвердость покрытия и производительность процесса ЭИО,
кроме эрозии наплавляемого электрода, оказывает существенное влияние
степень переноса разрушенного материала на обрабатываемую поверхность.
Коэффициент переноса материала эродированного электрода на поверхность детали:
,
(4.37)
где В – коэффициент, учитывающий насыщение переносимого материала и наплавляемой поверхности материалами из внешней среды. Для
сплавов на основе железа и меди В≈1;
Кп – коэффициент влияния энергии разряда на перенос материала.
В процессе электроискровой наплавки формируются одновременно
толщина h, микротвердость Нμ, сплошность С покрытия.
239
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Толщину, микротвердость и сплошность покрытия образованные на
единичной поверхности S можно определить по формуле [34]:
.
(4.38)
Выбор наплавляющего электрода осуществляется по критериям
[93]:
,
(4.40)
,
(4.41)
где ma – эрозия анода; mк – эрозия катода;
c, ρ, λ, Т пл, Тх – соответственно удельная теплоемкость, электропроводность, теплопроводность, температуры плавления и хладноломкости для материалов анода и катода;
Ψд,э –характеристическая температура детали и электрода, определяемая по формуле:
,
(4.42)
где М – молекулярный вес материалов детали и электрода.
Как следует из формул, определяющими факторами толщины получаемой поверхности при ЭИО являются материалы катода и анода, время обработки, энергетические режимы установки, частота вибрации электрода, диаметр электрода и др.
Применяя электроискровую установку, можно получить слой толщиной 10…100 мкм с поверхностью, которая имеет шероховатость
Ra=2,36…2,57 мкм, твердость поверхности нового слоя HRV=4…6 ГПа.
Шероховатость полученной поверхности характеризуется нестабильной геометрией, высокими пиками и впадинами (рис. 4.13), за счет
этого поверхность имеет небольшую площадь фактического контакта и
высокие удельные давления в зоне контакта. В целях получения лучшей
шероховатости и микрогеометрии необходимо применение дополнительных операций обработки полученной поверхности. Для достижения данной задачи наиболее перспективными на наш взгляд являются технологии
пластической обработки рабочих поверхностей.
240
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 4.13 - Схема электроискровой обработки детали: 1- обрабатываемая
деталь; 2 – наносимый слой; 3 – электрод; 4 – дуга
Качество поверхностного слоя является одним из главнейших факторов определяющих долговечность деталей машин и механизмов. Тщательно обработанная общеизвестными способами поверхность сопрягаемых деталей является носителем остаточных макро- и микронапряжений,
усталостных макро- и микротрещин, шаржированных зерен абразива и
прочих дефектов. Для повышения прочности и износостойкости деталей
необходимо применять методы обработки, улучшающие физические свойства, структуру и микрогеометрию поверхности.
Для получения требуемого комплекта параметров качества поверхностного слоя необходимо правильно назначить режимы пластической поверхностной обработки.
Одним из основных параметров режима пластической обработки, с
помощью которого можно формировать требуемый вид обработки, является рабочее усилие, оказывающее влияние как на физико-механические, так
и на геометрические характеристики качества поверхностного слоя деталей машин. Критерием разделения диапазонов рабочих усилий является
соотношение номинального давления в контакте рабочего инструмента и
обрабатываемой поверхности заготовки рн и предела текучести обрабатываемого материала заготовки т. Согласно этому подходу, при поверхностно-пластическом деформировании (ППД) рабочее давление лежит в
следующих диапазонах [261]:
(4.43)
Решив данное неравенство относительно рабочего усилия, получим:
,
(4.44)
241
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Укск – контактные деформации в зоне контакта инструмента и
заготовки при скольжении или качении;
rпр – приведенный радиус в контакте инструмента и заготовки;
т – предел текучести обрабатываемого материала заготовки.
На формирование геометрических параметров поверхностного слоя
большее влияние оказывает продольная подача, поэтому назначать подачу
следует, исходя из требуемого значения Rz.
Средняя высота профиля шероховатости в общем случае при всех методах механической обработки определяется равенством:
Rz = h1 + h2 + h3 + h4,
(4.45)
где h1 – составляющая профиля шероховатости, обусловленная геометрией и кинематикой перемещения рабочей части инструмента; h2 – составляющая профиля шероховатости, обусловленная колебаниями инструмента относительно обрабатываемой поверхности (при использовании инструмента упругого действия не учитывается); h3 – составляющая профиля
шероховатости, обусловленная пластическими деформациями в зоне контакта инструмента и заготовки; h4 – составляющая профиля шероховатости, обусловленная шероховатостью рабочих поверхностей инструмента.
После введения всех составляющих подачу инструмента можно определить по зависимости [267]:



 1200 Р1  f 2 0, 5  


S  8r Rz  Rz исх 1  12 

Rz

инс 


 πRHB исх (h кин  h упр )  


0, 5
,
(4.46)
где r – профильный радиус инструмента; Rz– требуемая высота неровностей профиля по десяти точкам; Rzисх– исходная высота неровностей
профиля по десяти точкам; f– коэффициент трения скольжения или качения;
h – глубина внедрения инструмента в обрабатываемую поверхность
при качении или скольжении; h – упругое восстановление металла; Rzинс–
высота неровностей профиля по десяти точкам деформирующего элемента.
За счет безабразивной ультразвуковой обработки поверхностный слой
дополнительно упрочняется на глубину до 25 мкм (рис. 4.14), а это является зоной максимального износа плунжера.
Ультразвуковая обработка деталей является финишной операцией, но
для придания особых физико-механических свойств и сохранения полученных свойств предлагается применить технологию финишного плазменного упрочнения.
Финишное плазменное упрочнение (ФПУ) - новая нанотехнология
используемая для многократного повышения работоспособности инструментов, штампов, пресс-форм и деталей машин, рассчитанная на массовое
применение в промышленности.
кин
упр
242
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 4.14 – Схема безабразивной ультразвуковой обработки восстановленной
детали: 1- деталь; 2 – поверхность после ультразвуковой обработки, Rz; 3 – необработанная поверхность, Rzисх ; 4 – ударная головка ультразвуковой установки; r – радиус
рабочего элемента
Для применения технологии финишного плазменного упрочнения
необходимо провести расчет параметров и режимов для обработки цилиндрических деталей [269].
Как показано на рисунке 4.15, плазменная струя с активными реагентами, формирующими упрочняющее пленочное покрытие, движется по
кольцевой траектории радиусом sm.
Рисунок 4.15 - Схема к расчету распределения толщины покрытия по радиусу
круга
Движущееся по этой траектории пятно плазменной струи формирует покрытие, которое в случае неподвижного пятна за время to создает на
243
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
поверхности покрытие с гауссовым распределением толщины покрытия по
радиусу r пятна f(r) [269]:
(4.47)
где fm – толщина покрытия в центре неподвижного пятна, мкм;
RЭ – эффективный радиус пятна покрытия, м.
Необходимо рассчитать интегральную толщину покрытия fint(y) на
следе цилиндрической поверхности радиусом y (см. рис.4.16).
При заданном y значение катета x для текущего угла α равно
(4.48)
Высота сегмента s равна:
(4.49)
где угол α – в радианах.
Радиус r1 пятна на текущем угле α для дуги, расположенной ближе
к центру плазменной струи 0 будет равен [269]:
(4.50)
а для дуги, расположенной дальше от центра плазменной струи 0
будет равен [306]:
(4.51)
Шаг интегрирования dh по дуге четверть-окружности определим
как:
(4.52)
где n – число шагов интегрирования (при численном интегрировании по методу парабол Симпсона n – четное число).
С учетом симметричности картины относительно вертикальной оси
на рисунка 4.11 можно интегрировать в пределах угла α от 0 до p / 2 отдельно для r1 и r2. Тогда
Приведенные выше выкладки действительны для y ≤ sm.
.
(4.53)
В результате интегрирования получаем зависимость интегральной
толщины покрытия fint(y) на следе цилиндрической поверхности радиусом
r от текущего радиуса y этих поверхностей.
244
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для неподвижного пятна толщина покрытия пропорциональна времени, т.е. fm α t (линейно в пределах до tomax), следовательно, и fint α t, а тогда толщина покрытия для полосы, формируемой подвижным пятном, f v на
некотором расчетном пути L = 2∙π∙y за время tv будет (при v ≠ 0):
,
(4.54)
где L = 2∙π∙y – длина окружности радиусом y;
tv – время движения пятна покрытия на пути L; t0 – время действия неподвижного пятна (в опытах по определению fm и Rэ).
Для неподвижной точки в центре круга, где y = 0, толщина покрытия рассчитывается с учетом времени обработки tv по формуле [106]:
(4.55)
где sm – радиус кольцевой траектории, по которой движется центр
пятна плазменной струи;
RЭ – эффективный радиус пятна покрытия.
На рисунке 4.16 схематично изображено нанесение тонкопленочного покрытия.
Для придания особых физико-механических свойств поверхностного слоя и сохранения тех, которые были созданы предыдущими операциями, производится формирование прочного пленочного покрытия при помощи финишного плазменного упрочнения толщиной 0,5…3 мкм. Наносимое при финишном плазменном упрочнении конденсацией из дуговой
или высокочастотной плазмы кремнийсодержащее покрытие базового с остава SiC – SiO2, являясь диэлектриком, образует пленочное покрытие,
препятствующее схватыванию контактируемых поверхностей.
При работе ТНВД на номинальных режимах, величина зазора между
плунжером и втулкой не оказывает существенного влияния на параметры
топливоподачи из-за высокой скорости перемещения плунжера во втулке.
Уменьшение частоты вращения кулачкового вала и ее варьирование, связанные со значительными колебаниями тягового сопротивления МТА, нестабильностью рабочих процессов и операций, приводят к перетеканию топлива в зазор между плунжером и втулкой и оказывают влияние на увеличение неравномерности подачи топлива по секциям. Все это способствует
повышению общего расхода топлива.
В процессе эксплуатации дизельных энергосредств в составе МТА на
выполнении сельскохозяйственных операций неудовлетворительное техническое состояние плунжерных пар ТНВД дополнительно увеличивает перерасход топлива
245
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 4.16 - Схема образования тонкопленочного покрытия на рабочей поверхности: 1 – восстанавливаемая деталь; 2 – слой, полученный электроискровой обработкой; 3 – поверхность образованная после применения ультразвуковой обработки; 4 –
тонкопленочное покрытие; 5 – плазменная струя; 6 – плазматрон
Тогда общий расход топлива за период выполнения технологических операций можно определить по формуле [279]:
общ = рх ∙ Трх + хх ∙ Тхх + о ∙ То
(4.56)
где Gрх, Gхх, Gо и Трх, Тхх, То - часовые расходы топлива (кг/ч) и время
работы (ч), соответственно, при рабочем, холостом ходе и остановках МТА.
При выполнении технологических операций дизельными энергосредствами расход топлива на каждом i-ом режиме можно представить как основной расход Giо, который учитывает теоретическое отличие режима загрузки
МТА от номинального Gн, и дополнительный ΔGi, обусловленный колебаниями нагрузки на этом режиме и неравномерностью подачи. Выражая эти составляющие расхода топлива через относительные коэффициенты, получим:
 =  ∙ н (1 +  ) ,
(4.57)
где ki = Giо / Gн – коэффициент, учитывающий отношение расхода топлива i-ого режима к расходу топлива при номинальных оборотах;
δi = ΔGi / Giо– неравномерность подачи топлива дизельных энергосредств в составе МТА, обусловленная режимами работы двигателей и повышенным зазором между плунжером и втулкой.
246
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Соответствующие периоды работы МТА представлены в долях от
общего периода выполнения операции Тобщ, тогда выражение (4.55) представим в следующем виде:
 =  ∙ н ∙  ∙ Тобщ (1 +  )
(4.58)
где ηi= Тi / Тобщ – коэффициент, учитывающий период работы МТА
на i-ом режиме от общего времени выполнения операции.
Согласно полученной зависимости общий расход топлива можно
снизить за счет уменьшения дополнительного расхода топлива, который
определяется неравномерностью цикловой подачи топлива плунжерных
пар ТНВД. Для представленных режимов и соответствующей загрузки
МТА на выполнении технологических процессов общий расход топлива
определится как:
общ = н ∙ Тобщ рх ∙ рх 1 + рх + хх ∙ хх 1 + хх + о ∙ о (1 +
о)(4.59)
Полученная зависимость позволяет анализировать расход топлива
дизельной техники при выполнении различных технологических операций
с учетом неравномерности топливоподачи.
4.6 Формирование износостойкого покрытия на рабочих поверхностях плунжерных пар ТНВД и результаты исследования его
физико-механических и триботехнических свойств плунжерных пар
Повышение работоспособности плунжерных пар топливного насоса, предлагается реализовывать в двух направлениях: восстановление и
упрочнение рабочих поверхностей.
Восстановление работоспособности плунжерных пар включает в
себя, следующие этапы: применение электроискровой обработки, ультразвуковую обработку и финишное плазменное упрочнение. На предлагаемый способ восстановления получен патент РФ на изобретение №
2423214. Предлагаемый комбинированный способ предназначен для восстановления плунжерных пар, вышедших из работоспособного состояния.
Для повышения работоспособности плунжерных пар и топливного
насоса в целом, предлагается упрочнение рабочих поверхностей новых
прецизионных деталей, поступающих в качестве запасных частей, путем
нанесения тонкопленочных алмазоподобных покрытий.
Для восстановления и упрочнения рабочих поверхностей плунжерных пар использовалось оборудование лаборатории учебного научнопроизводственного центра «Восстановление и упрочнение деталей машин»
кафедры технического сервиса, стандартизации и метрологии СтГАУ.
247
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При использовании оборудования, для исключения влияния не исследуемых параметров на результаты экспериментов, было предусмотрено:
а) изготовить все образцы (в пределах одной группы) из одной марки стали, покрытия наносить на одном оборудовании при строгом соблюдении технологического процесса;
б) при нанесении покрытия поддерживать температуру воздуха в
помещении 18…22°С и относительную влажность воздуха – 45-55%;
в) корректировку и настройку оборудования производить после покрытия группы деталей из четырех образцов и ежедневно перед началом работы;
г) наносить покрытия на образцы толщиной 0,5…3 мкм.
Физико-механические свойства поверхностей изучали путем измерения твердости, микротвердости и прочности сцепления покрытий с основным металлом, структуры полученных покрытий.
Процесс ЭИО металлических поверхностей основан на использовании действия импульсного электрического разряда, проходящего между
электродами в газовой среде [32-35].
К основным особенностям метода относятся локальность обработки, высокая прочность сцепления нанесенного материала с основой, отсутствие нагрева детали, возможность использования любых токопроводящих
материалов, отсутствие необходимости специальной предварительной
подготовки поверхности.
Удельная продолжительность обработки, при которой наступает
максимум толщины покрытия, зависит от энергии единичного импульса,
химического состава и физических свойств обоих электродов, состава окружающей среды и ее давления.
Максимум толщины покрытия наступает раньше при электрических импульсах с большой энергией и несколько позже при импульсах с
малой энергией.
Ультразвуковая обработка применяется после чистовой токарной
обработки. Ультразвуковой инструмент, зажатый в резцедержатель универсального токарного станка, под действием статической силы, создаваемой прижимом, и динамической силы, создаваемой ультразвуковой колебательной системой, пластически деформирует и упрочняет поверхностный слой детали, увеличивает микротвердость, снимает остаточные макрои микронапряжения, сглаживает неровности поверхности и создает, в итоге, улучшенный поверхностный слой с регулярным характером микрорельефа.
Для обработки наружных поверхностей различных металлов использовался комплект типа: БУФО – 0,63/22 модель10. Для обработки
внутренних поверхностей металлов поставляются комплекты с диапазоном
обработки Ø от 5 мм, на глубину до 500 мм.
248
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
Рисунок 4.17 - Общий вид электроискровой установки БИГ-3: а - для работы в
механизированном режиме; б – для работы в ручном режиме
Электроискровая установка «БИГ- 3» предназначена для обработки в
ручном (рис. 4.17, б) и механизированном (рис. 4.17, а) режиме рабочих поверхностей деталей машин и механизмов, режущего инструмента и штамповой оснастки, с целью восстановления их размеров, упрочнения и легирования.
Результаты применения данного способа улучшения поверхностного слоя деталей совмещают в себе лучшие показатели отдельных и классических способов обработки:
- микротвердость поверхности, в зависимости от исходной и вида
обрабатываемого металла, возрастает на 30 - 300%;
- шероховатость снижается с 5 до 9 - 14 класса. Данное качество поверхности можно получать не только на термически обработанных и с ырых сталях, но и на чугунах, на цветных и нержавеющих металлах и сплавах.
В результате комплекса перечисленных свойств детали машин и механизмов, подвергнутые ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой
обработке, имеют большую износостойкость, циклическую прочность, контактную усталостность и т.д., чем после шлифования, обкатывания шаром и
многих других окончательных и финишных способов обработки поверхности
деталей.
Ультразвуковой инструмент позволяет производить обработку деталей не только цилиндрической формы, но и допускает возможность обработки деталей с эксцентриситетом до + 5 мм.
249
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ультразвуковую упрочняюще-чистовую обработку следует рассматривать как не размерную, а финишную операцию. Величина необходимых припусков определяется экспериментально, в зависимости от конкретных технологических параметров обработки. В общем случае можно
сказать, что размеры деталей практически не изменяются.
Финишное плазменное упрочнение (ФПУ) - новая нанотехнология
для многократного повышения работоспособности инструментов, штампов, пресс-форм и деталей машин, рассчитанная на массовое применение в
промышленности.
ФПУ подвергаются изделия из инструментальных сталей, твердых
сплавов, а также из других сталей и сплавов.
ФПУ является заключительной операцией и проводится после
окончательной механической, термической и абразивной обработки изделий. ФПУ не подлежат изделия, имеющие на упрочняемых зонах следы
окисления, прижоги, заусенцы, сколы, затупления, а также оксидные и органические покрытия.
Сущность ФПУ (рис. 4.19) состоит в нанесении износостойкого покрытия с одновременным осуществлением процесса повторной плазменной закалки приповерхностного слоя (на глубину нескольких микрометров). Покрытие является продуктом плазмохимических реакций реагентов,
прошедших через дуговой плазмотрон. Закалка происходит за счет локального воздействия высококонцентрированной плазменной струи.
Рисунок 4.19 – Общий вид установки для ФПУ-111
Эффект от ФПУ достигается за счет изменения физикомеханических свойств поверхностного слоя: увеличения микротвердости,
уменьшения коэффициента трения, создания сжимающих напряжений, залечивания микродефектов, образования на поверхности диэлектрического
250
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и коррозионностойкого пленочного покрытия с низким коэффициентом
теплопроводности, химической инертностью и специфической топографией поверхности.
Технологический процесс ФПУ проводится при атмосферном давлении в воздушной среде и состоит из операций предварительной очистки
(любым известным методом) и непосредственно упрочнения обрабатываемой поверхности путем воздействия на неѐ плазменной струи при взаимном перемещении изделия и плазмотрона. В качестве плазмообразующего
газа используется аргон, исходным материалом для прохождения плазмохимических реакций и образования покрытия является специальный жидкий двухкомпонентный препарат сетол. Его расход не превышает 0,5 г/ч
(не более 0,5 литра в год при определѐнной интенсивности работы).
Для проведения металлографических исследований оборудования
пробоподготовки, лаборатории учебного научно-производственного центра «Восстановление и упрочнение деталей машин» кафедры технического
сервиса, стандартизации и метрологии СтГАУ представленное в разделе
2.8.
Рисунок 4.19 - Общий вид рентгено-флуоресцентном анализатора Х-Арт М
Качественный состав покрытия осуществлялся на
рентгенофлуоресцентном анализаторе Х-Арт М, который позволяет использовать
сами изделия без их разрушения (рис. 4.19).
Регистрация выходящих флуоресцентных фотонов производится
разными детекторами (в Анализаторе Х-Арт М - полупроводниковым
Si(Li) детектором) в виде количества зарегистрированных фотонов соответствующих энергий. Соответствие положения пиков энергий спектра на
шкале определенным элементам позволяет провести качественный элементный анализ вещества (рис. 4.20, а).
251
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При этом в связи с вероятностным процессом регистрации детектором флуоресцентных фотонов, каждая спектральная линия энергий переходов «размывается» и представляет собой ряд спектральных линий, приближенно описываемых кривой Гаусса, имеющий характерный максимум - пик,
совпадающий с табличной величиной. Площадь, описанная Гауссовой кривой, пропорциональна концентрации атомов данного элемента в объекте и
может быть использована для количественного анализа элементного состава
образца.
Результаты, полученные в ходе контроля покрытия, выводятся на
компьютер. Наличие покрытия регистрируется по пикам соответствующих химических элементов. Для перехода от контроля образцов, плунжеров и втулок, разрушающим методом к работе на приборе Х-Арт М проведена тарировка прибора. Суть методики состоит в следующем, образец
прямоугольной пластины (рис. 4.20, б), изготовленной из стали У8, разбивался на одинаковые промежутки.
а
б
Рисунок 4.20 - Общий вид регистрации данных анализатора Х-Арт М (а) и
образцов для проведения тарировки прибора
252
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На соответствующие участки наносится тонкопленочное покрытие
с количеством циклов обработки поверхности от 1 до 13. После нанесения
тонкопленочного покрытия каждый из участков образца исследовался на
Анализаторе Х-Арт М, который регистрирует не только наличие покрытия,
но и количественное значение.Восстановление плунжерной пары предполагает применение нескольких технологических операций: электроискровая обработка (ЭИО), безабразивная ультразвуковая финишная обработка
(БУФО) и финишное плазменное упрочнение (ФПУ).
Для определения микротвердости восстановленного слоя электроискровой технологией, использовали изношенные плунжерные пары топливного насоса 4УТНМ. В изношенных частях плунжера наносят восстанавливающий слой. После чего восстановленная рабочая поверхность подвергается механической обработке для снижения шероховатости поверхности. Затем на восстановленных частях плунжеров необходимо нанести
не менее 5 «уколов» при помощи твердомера модели HV-1000, затем определяют среднее значение твердости восстановленного слоя ЭИО. После
обработки восстановленных плунжеров БУФО необходимо произвести измерение твердости рабочей поверхности, которое осуществляется на том
же оборудовании.
а
б
Рисунок 4.21 – Общий вид твердомеров модели HV-1000 (а) и модели НВRV178.5 (б)
253
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для исследования микротвердости наносимого тонкопленочного
покрытия на рабочие поверхности деталей использовали метод, позволяющий определять твердость отдельных фаз и структурных составляющих, твердость внутри отдельных зерен, тонкого поверхностного слоя с
использованием твердомера модели HV-1000 (рис. 4.21, а). Образец помещают на плоскую пластину, которую закрепляют на вращающемся столике прибора. Выбор времени приложения усилия производился согласно
характеристикам испытуемого образца. Испытания проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 9450-76.
При определении микротвердости в испытываемый образец под действием нагрузки Р вдавливается алмазный наконечник, имеющий форму
пирамиды. После снятия нагрузки на поверхности остается отпечаток в
виде пирамиды с квадратным основанием. Для определения числа твердости Н (кгс/мм2) нагрузку Р делят на условную площадь боковой поверхности отпечатка:
Чтобы не проводить вычисления, пользуются таблицами (приложение к ГОСТ 9450-76), в которых приведены значения микротвердости в
зависимости от прилагаемой нагрузки и длины диагонали отпечатка.
При выборе нагрузки руководствуются величиной площади участка,
твердость которого измеряется, и толщиной образца (или слоя). Минимальная толщина образца должна быть больше диагонали отпечатка в 1,5
раза. Расстояние от центра отпечатка до края образца или края соседнего
отпечатка должно быть не меньше 2d.
Как уже было сказано (глава 4, п. 4.3) повысить ресурс плунжерных
пар топливных насосов высокого давления планируется двумя направлениями: восстановление и упрочнение рабочих поверхностей.
Восстановление рабочих поверхностей включает в себя три основных технологических операции: электроискровая обработка, безабразивная ультразвуковая финишная обработка и финишное плазменное упрочнение.
После восстановления локальных износов плунжеров, с применением электроискровой обработки, проводились измерения твердости восстановленного
слоя, и был составлен статистический ряд, представленный в таблице 4.1.
Таблица 4.1 – Статистический ряд твердости восстановленного
слоя.
4714
4886
5057,5
5229
5401
5572
5744
Интервал
4886
5057
5229,1
5401
5572
5744
5916
Середина
4800
4972
5143,3
5315
5487
5658
5830
интервала
mi
2
4
5
7
13
9
7
Pi
0,04
0,08
0,1
0,14
0,26
0,18
0,14
∑Pi
0,04
0,12
0,22
0,36
0,62
0,8
0,94
f(HR)
0,3
0,45
0,61
0,76
0,87
0,94
0,97
254
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Среднее значение твердости поверхностного слоя наносимого электроискровой установкой составило HRV=5110МПа (рис 4.1), при среднем
квадратическом отклонении ζ =419МПа, с коэффициентом вариации V =
1,06, а параметр b = 1,82 и коэффициентом КВ = 0,99. Из рисунка 4.22 видно, что 20% плунжерных пар обработанных электроискровой обработкой
имеют твердость не превышающую HRV=5110МПа.
Рисунок 4.22 – Экспериментальное распределение твердости после ЭИО изношенных
плунжерных пар
Последующей технологической операцией является безабразивная
ультразвуковая финишная обработка. После обработки плунжеров данной
технологией проводились повторные измерения твердости рабочих поверхностей, результаты представлены в таблице 4.2.
.
Рисунок 4.23 – Экспериментальное распределение твердости после БУФО изношенных
плунжерных пар
255
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Среднее значение твердости после безабразивной ультразвуковой
финишной обработки составило HRV=8423МПа (рис. 4.23), при среднем
квадратическом отклонении ζ =325МПа, с коэффициентом вариации V =
0,46, а параметр b = 1,45 и коэффициентом КВ = 0,91
На рисунке 4.2 представлено распределение твердости восстановленных плунжерных пар после безабразивной ультразвуковой обработки, из которого видно, что применение данной технологической операции обеспечивает у 70% обработанных деталей твердость превышающую среднее значение.
Таблица 4.2 – Статистический ряд значений твердости восстановленного слоя
7708
7892
8075,4
8259
8443
8626
8810
Интервал
7892
8075
8259
8443
8626
8810
8993
Середина
7800
7984
8167,2
8351
8534
8718
8902
интервала
mi
2
3
3
6
8
10
7
Pi
0,05
0,08
0,08
0,15
0,2
0,25
0,18
∑Pi
0,05
0,13
0,21
0,36
0,56
0,81
0,99
f(HR)
0,05
0,14
0,31
0,52
0,73
0,88
0,96
Полученные данные свидетельствуют о том, что после применения
технологических операций твердость поверхностного слоя соответствует
твердости нового плунжера, но для придания особых физикомеханических свойств поверхностного слоя и сохранения тех, которые
были созданы предыдущими операциями, производят формирование прочного пленочного покрытия при помощи ФПУ.
Для определения микротвердости тонкопленочного покрытия, в зависимости от количества обработок рабочей поверхности, наносимого
ФПУ, использовались плунжера топливного насоса 4УТНМ. Результаты
исследований представлены в виде графика на рисунке 4.24. В ходе проведения эксперимента режимы установки не изменялись. После каждого
цикла нанесения тонкопленочного покрытия, при помощи твердомера HV1000, делались 3 отпечатка на рабочей поверхности образцов.
После определения диагонали отпечатков, по описанной ранее методике рассчитывали значение микротвердости наносимого тонкопленочного
материала. За результат принимали среднее значение микротвердости рабочей поверхности исследуемого образца.
Из графика видно, что после второго цикла нанесения тонкопленочного покрытия, микротвердость поверхностного слоя стремительно
увеличивается. После пятого цикла обработки ФПУ исследуемых образцов
микротвердость рабочей поверхности превысила микротвердость абразивных частиц находящихся в топливе (глава 4, п.1.2). С дальнейшим увеличением количества обработок исследуемых образцов микротвердость рабочих поверхностей увеличивалась незначительно, а после девятого цикла
обработки наблюдалось снижение микротвердости.
256
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Поэтому для повышения износостойкости рабочих поверхностей
плунжерных пар необходимо применять до семи циклов обработки рабочих поверхностей ФПУ, большее количество циклов приводит к удорожанию процесса и не дает экономического эффекта.
Рисунок 4.24 – Зависимость микротвердости покрытия от количества обработок ФПУ: а
– зона максимальной микротвердости абразивных частиц, находящихся в топливе; в –
микротвердость рабочей поверхности образца
Для изучения геометрических характеристик шероховатых поверхностей используется несколько методов. Среди них наибольшее распространение получил щуповый метод с помощью профилометра (профилографа), сущность которого заключается в том, что по поверхности трения перемещается алмазная игла с малым радиусом закругления. Колебания иглы в вертикальном направлении повторяют неровности профиля поверхности. Эти колебания преобразуются в электрические сигналы, которые усиливаются и записываются в виде профилограммы, а специальное
интегрирующее устройство выдает значения Ra и другие характеристики
профиля.
Примером такого прибора для измерения шероховатости является
профилограф MarSurf PS 1, внешний вид которого показан на рисунке
4.25. В современных профилографах получаемые в процессе измерения
данные анализируются с помощью ЭВМ, и сразу выдаются значения характеристик шероховатости и волнистости. Прибор имеет автономное питание — более 500 измерений без необходимой подзарядки. Проводит замеры в широком диапазоне положений в зависимости от конфигурации де257
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тали (вертикальном, горизонтальном, перевернутом). Благодаря встроенному эталону шероховатости вероятность ошибки значительно уменьшена.
Во внутреннем блоке памяти может храниться до 15 профилей или 20000
результатов. Диапазон измерений прибора составляет максимум 350 мкм
(-200…+150 мкм).
Рисунок 4.25 - Прибор измерения шероховатости MarSurf PS 1
Для определения параметра шероховатости использовали образец стали с шероховатостью поверхности R a=0,08 мкм, профилограма
которого представлена на рисунке 4.26а. После обработки образцов
ФПУ среднее значение параметра шероховатости с тонкопленочным
покрытием составило Ra = 0,048 мкм (рисунок 4.26 б).
На рисунке 4.26 представлены профилограммы шероховатостей
исследуемых образцов полученных научно-производственной фирмой
«Плазмацентр» (рис. 4.26 а и 4.26 б), которые подтверждаются данными (рис. 4.26 в) полученными в ходе проведения собственных исследований.
Из представленных данных видно шероховатость поверхности с
тонкопленочным покрытием в 1,6 раза ниже, чем без покрытия по параметру Ra, высота неровностей профиля по десяти точкам Rz уменьша258
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ется в 1,5 раза, среднее квадратическое отклонение профиля Rq уменьшается в 2 раза, средний шаг неровностей профиля Rmax уменьшается в
1,5 раза при уменьшении среднего шага неровностей профиля Sm в 3
раза. Полученные данные свидетельствуют о том, что данное покрытие
способствует улучшению параметров шероховатости рабочих поверхностей деталей.
а
б
в
Рисунок 4.26 - Профилограмма шероховатости исследуемых образцов: а, б – профилограмма образцов без покрытия и с тонкопленочным покрытием по данным НПФ
«Плазмацентр» [105- 109]; в - профилограмма образцов с тонкопленочным покрытием полученная в ходе проведения исследований посвященных данной работе
Анализ спектров образцов до и после нанесения тонкопленочного
покрытия (рис. 4.27) позволил получить следующие характеристики этого
покрытия: интенсивность пика в максимуме Ipeak, интенсивность пика в
максимуме без полиномного фона Iw/bg, интенсивность пика в максимуме
без линейного фона Iw/bg peak, полная площадь пика и фона под пиком Sfuul,
площадь пика без полиномного фона Sw/bg , площадь пика без линейного
фона Sw/lbg. Каждый химический элемент имеет индивидуальную энергию
(Epeak), для кремния Epeak = 1,734 кэВ.
Для получения информации об анализируемом образце, спектр обрабатывается при помощи функций программного обеспечения Анализатора Х-Арт. Анализ исследуемых образцов показал, что на образцах, не
обработанных финишным плазменным упрочнением кремния содержится
порядка 10 I, cnts (рисунок 4.27), после обработки образцов технологией
ФПУ, содержание кремния повысилось в 5-6 раз.
259
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 4.27 - Тарировочный график зависимости толщины тонкопленочного покрытия от количества обработок ФПУ
Данные полученные при проведении исследований на рентгенофлоуресцентном анализаторе Х-Арт М свидетельствуют о наличии тонкопленочного покрытия на рабочих поверхностях исследуемых образцов.
Подача топлива является основным параметром характеристики
работы любого ТНВД. Подача топлива для разных ТНВД при одинаковых
наработках будет различным по объему. Это различие зависит от состо яния плунжерной пары, вернее от создаваемого ею давления. Развиваемое
плунжерной парой давление связано с общим износом деталей плунжерной пары. Оно определяется износостойкостью сопрягаемых поверхностей
деталей. Измерения гидравлической плотности проводились на установке
КИ-759 (рис. 4.28) по ГОСТ 25708-83 до нанесения покрытия и после.
Гидравлическую плотность исследовали на новых плунжерных парах, поступающих в качестве запасных частей топливного насоса 4УТНМ,
количество исследуемых прецизионных деталей составило 50 штук. По данным, полученным в ходе измерения гидроплотности новых плунжерных пар,
определяли экспериментальное и теоретическое распределение в V группе.
260
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 4.28 - Общий вид установки КИ-759
Затем исследуемая партия плунжерных пар подвергалась обработке
финишным плазменным упрочнением. После обработки плунжерных пар,
нанесением тонкопленочного покрытия на рабочие поверхности прецизионных деталей, производилось измерение гидравлической плотности. По
данным, полученным в ходе измерения гидроплотности плунжерных пар с
тонкопленочным покрытием, определяли экспериментальное и теоретическое распределение в V группе.
В качестве технологической жидкости для проверки гидравлической плотности плунжерных пар, используют смесь дизельного топлива и
дизельного масла с вязкостью смеси 9,9…10,9 мм2/с при температуре 20
Сº. Смесь с данной вязкостью получается при смешении двух весовых частей дизельного масла и одной части дизельного топлива.
Измерение гидравлической плотности проводили на устройстве
КИ-759 в соответствии с ГОСТ 25708-83. Исследования гидравлической
плотности плунжерных пар (на примере топливного насоса 4УТНМ), поступающих в качестве запасных частей показали, что исследуемые детали
попадают в различные группы гидравлической плотности.
Нами был проведен анализ распределения гидравлической плотности
плунжерных пар в V группе. Для обработки полученной информации был
составлен статистический ряд, который разбили на n равных интервалов.
Полученные результаты представлены в таблице 4.3.
Таблица 4.3 - Значения дифференциальной и интегральной функций
t
mi
Pi
∑
Pi
f(t
)
F(
t)
40,1…41,5
41,5…42,9
42,9…44,3
44,3…45,7
45,7…47,1
47,1…48,5
48,5…49,9
11
0,22
15
0,30
10
0,20
7
0,14
2
0,04
3
0,06
2
0,04
0,22
0,52
0,72
0,86
0,9
0,96
1
0,25
0,28
0,21
0,13
0,07
0,03
0,02
0,23
0,52
0,73
0,86
0,93
0,96
0,99
261
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Число интервалов статистического ряда определяем по формуле
[53]:
 =  = 50 = 7,071 = 7,
(4.62)
где N – опытная партия, штук.
Протяженность интервала определялась по формуле [53]:

−
 =   ≈ 1,4,
(4.63)

где tmax, tmin – начало и конец интервала, с.
Основными числовыми характеристиками распределения случайной величины являются: среднее значение, среднее квадратичное отклонение и коэффициент вариации.
Среднее значение гидравлической плотности определяем по формуле [53]:
 = 1 ср Р ,
(4.64)
где n – число интервалов статистического ряда;
tсрi – значение гидравлической плотности в середине i-го интервала;
Pi – опытная вероятность в i-м интервале.
В нашем случае  = 43,4 , с.
Среднее квадратическое отклонение [53]:
=

1
t cpi − t
2
∙ Р ,
(4.65)
Подставив значения и произведя вычисления, получим среднее квадратическое отклонение ζ = 2,29 с.
Коэффициент вариации определяем по формуле [53]:

=
,
(4.66)
 −
где С – смещение рассеивания показателя гидравлической плотности, c.
С = н1 − 0,5 ∙ ,
(4.67)
где tн1 – начало первого интервала статистического ряда, c;
А – длина интервала статистического ряда.
С= 40,1-0,5•1,4= 39,4 с.
(4.68)
Подставив значения, получим коэффициент вариации V = 0,7.
Прямой перенос значений гидроплотности, полученных при измерении
группы деталей, на другие детали машины той же марки осуществлять
нельзя. Необходимо по полученной информации определить теоретический закон распределения гидравлической плотности для генеральной совокупности машин, который выражает общий характер изменения гидроплотности и исключает частные отклонения, вызванные разнообразием и
непостоянством факторов, влияющих на работу машин.
Так как в нашем случае коэффициент вариации равен V = 0,7, то теоретическое распределение плунжерных пар по гидравлической плотности будет осуществляться по закону Вейбулла. Дифференциальную функцию при
данном законе определяем по формуле [53]:
262
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
  =

  −1



−
 
 ,
(4.69)
где a и b – параметры распределения Вейбулла.
Параметр b, коэффициенты КВ и СВ определяются из табличных
данных [53]. При V = 0,7 параметр b = 1,45, коэффициенты КВ = 0,91 и СВ =
0,64.
Параметр a рассчитываем по уравнению [53]:
 −
=
,
(4.70)

После расчетов получаем значение параметра a=3,57.
Дифференциальную функцию определяем по табличным данным, при
этом используют уравнение [123]:

 −
  =  
,
(4.71)


где tci – середина интервала статистического ряда, c.
Интегральную функцию или функцию распределения закона Вейбулла определяем по формуле [123]:
−
 

  = 1−
.
(4.72)
При помощи данных формул находим значения дифференциальной
и интегральной функций во всех интервалах статистического ряда.
Определим доверительные границы [253]:

др
=  −  ∙  3 + ,
(4.73)

др
=  −  ∙  1 +  ,
(4.74)


где др и др – соответственно нижнее и верхнее предельные отклонения.
1,45

др
= 43,4 − 39,4 ∙
0,8 + 39,4 = 42,3 с.
(4.75)
1,45

др = 43,4 − 39,4 ∙
1,28 + 39,4 = 45,1 с.
(4.76)
После нанесения покрытия на рабочие поверхности плунжерных пар
установкой УФПУ-111 лаборатории учебного научно-производственного
центра «Восстановление и упрочнение деталей машин» кафедры технического сервиса и ремонта машин СтГАУ, в соответствии с выше описанным алгоритмом были проверены исследования на гидравлическую плотность плунжерных пар имеющих покрытие. Полученные результаты представлены в
таблице 4.4.
Основными числовыми характеристиками распределения случайной величины являются: среднее значение  = 46,7 , с., среднее квадратичное отклонение ζ = 1,05 с, коэффициент вариации V = 0,66.
Таблица 4.4 - Значения дифференциальной и интегральной функций.
t
45,8…46,5
mi
10
Pi
0,2
∑Pi
0,2
f(t)
0,23
F(t)
0,21
46,5…47,2 47,2…47,9 47,9…48,6 48,6…49,3 49,6…50,0
16
11
7
3
1
0,32
0,22
0,14
0,06
0,02
0,52
0,74
0,88
0,94
0,96
0,3
0,24
0,14
0,06
0,03
0,5
0,74
0,88
0,94
0,98
263
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из рисунка 4.6 видно, что 86% исследованных плунжерных пар имеют гидравлическую плотность не превышающих t =45,7 c, при среднем значении 43,4 c и среднем квадратическом отклонении ζ = 2,29 c. Такое распределение деталей свидетельствует о возможности повышения ресурса и обеспечения стабильности топливоподачи на всех режимах работы за счет увеличения гидроплотности плунжерных пар и смещения центра распределения к
верхнему пределу в группе. После нанесения тонкопленочного покрытия на
рабочие поверхности новых плунжерных пар распределение гидравлической
плотности изменилось таким образом, что 82% экспериментальных плунжерных пар (рис. 4.29) имеют гидравлическую плотность, превышающую t
=45,7с со средним значением =46,7c при среднем квадратическом отклонении ζ = 1,05с.
Рисунок 4.29 – Экспериментальное и теоретическое распределение гидравлической
плотности выпускаемых и экспериментальных плунжерных пар
264
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Анализ распределения гидравлической плотности выпускаемых и
экспериментальных плунжерных пар показывает, что все плунжерные пары, имеющие тонкопленочное покрытие имеют гидравлическую плотность
более t=45,1с. При этом только 18% экспериментальных плунжерных пар
имеют гидроплотность менее t=45,7с, тогда как 86% новых пар имеют этот
показатель до этого значения.
Данные полученные в ходе эксперимента свидетельствуют о повышенном зазоре между плунжером и втулкой у новых деталей, поступающих в качестве запасных частей. После формирования тонкопленочного
покрытия на рабочих поверхностях новых плунжерных пар наблюдается
увеличение гидравлической плотности, что говорит об уменьшении начального зазора в плунжерных парах.
Такое распределение гидравлической плотности плунжерных пар
способствует повышению ресурса и обеспечению стабильности топливоподачи на всех режимах работы ТНВД.
Для исследования износостойкости плунжерных пар, имеющих
тонкопленочное покрытие разработана методика, которая включает в себя
несколько этапов предварительной подготовки, непосредственного проведения экспериментов по разработанной схеме и обработки результатов.
Предварительная подготовка включает в себя:
- разработка матрицы и методики проведения экспериментов;
- подготовка образцов из металла к эксперименту;
- подготовка образцов топлива, их предварительный химический
анализ на содержание элементов и состава;
- тарировка размеров отпечатков от износа.
Для разработки матрицы и методики проведения эксперимента, а
так же выбора наиболее значимых факторов, согласно теоретических исследований установлено, что снижение основных параметров топливоподачи плунжерной пары и сокращение времени работы, связано с закономерностями развития износа сопрягаемых деталей.
Основными параметрами являются:
- параметры окружающей среды (температура воздуха, давление)
- давление топлива и скорость истечения топлива, связанная со
скоростью перемещения плунжера
Работа плунжерной пары, как показывают проведенные исследования и опыт практической эксплуатации, характеризуется значительными
колебаниями режимов работы, которые устанавливаются загрузкой и режимом нагружения дизельного двигателя. Поэтому к числу основных параметров, влияющих на долговечность плунжерной пары при проведении
экспериментальных исследований, следует отнести:
1. Давление на детали в зоне контакта Р, МПа.
2. Скорость относительного перемещения деталей Vn, м/с.
265
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Устанавливаем диапазон изменения или уровни варьирования исследуемых факторов. Давление в зоне контакта моделируется нагрузкой,
которую создаем с помощью грузов, и которая приходится на образцы. Работоспособность плунжерной пары оценивается давлением, которое она
создает. При этом выбраковочным признаком является нижний уровень
давления, которое необходимо для срабатывания форсунок. Принимаем
Pmax=120 МПа, Pmin=20 МПа.
Скорость перемещения плунжера определяется режимами работы и
максимальное значение для различных типов ТНВД составляет 1,6…1,8
м/с. Принимаем VПmax=2 м/с, минимальная скорость наблюдается в режиме
пуска и составляет 0,5 м/с. Принимаем VПmin=0,5 м/с.
Поскольку количество факторов планируемое для проведения экспериментов отобрано, планируется реализовать полнофакторный эксперимент типа 32.
В таблице представлены значения реальных значений факторов и в
кодированном виде (таблица 4.5). В качестве управляемых факторов принимали: X1 – давление в зоне контакта, МПа; X2 – скорость относительного
перемещения, м/с.
Выбранные факторы процесса отвечают требованиям проведения
многофакторных экспериментов [201, 276].
В эксперимент включали два выше указанных фактора, для каждого
из них устанавливали три уровня: верхний, нижний и основной.
Вводили условное обозначение верхнего, нижнего и основного
уровней фактора соответственно +1,-1 и 0. Затем строили план матрицы
(таблица 4.6) планирования эксперимента в виде таблицы, в строках которой записываем данные опытов, в столбцах – факторы (в кодах «+» и «-») с
реализацией их всех возможных сочетаний факторов.
Таблица 4.5 – Уровни варьирования факторов
Факторы
Уровни
Верхний
Нижний
Основной
Интервал
Давление Р, МПа
Скорость Vn, м/с
X1
X2
120
20
70
50
+1
-1
0
-
2,0
0,5
1,25
0,75
+1
-1
0
-
Как отмечалось выше для устранения явления схватывания плунжерной пары и увеличения ресурса одним из перспективных является финишная
обработка с нанесение тонкопленочного алмазоподобного покрытия на поверхность деталей. Для выбора оптимального способа нанесения покрытия и
установления закономерностей изменения исходных значений деталей плун266
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жерной пары, подобные матрицы планирования эксперимента были реализованы для 3 вариантов. При проведении экспериментов, устанавливались следующие зависимости в парах трения: А- «Пбп – Вбп», В – «Пп – Вбп», С – «Пп –
Вп».
где Пбп, Вбп, Пп , Вп – соответственно образцы, изготовленные из
материала плунжера и втулки сталь ШХ15, без покрытия и с покрытием.
Параметром оптимизации процесса упрочнения плунжерных пар
принимали интенсивность изнашивания рабочей поверхности. Параметр
оптимизации обозначали символом Y.
Таблица 4.6 – Матрица планирования эксперимента.
Номер
№
Х
опыта,
1
2
3
4
5
6
7
8
9
X1
+1
+1
-1
-1
+1
-1
0
0
0
X2
+1
-1
+1
-1
0
0
+1
-1
0
Для выбранного плана проведения эксперимента 32 уравнение регрессии в общем виде будет выглядеть следующим образом [76]:
y = b0 + b1 ∙ X1 + b2 ∙ X 2 + b3 ∙ X 1 ∙ X 2 + b4 ∙ X 21 + b5 ∙ X 22
(4.78)
где - функция суммы параметров оптимизации;
b0 … b5 – коэффициенты модели;
X 1 , X 2 - факторы влияния.
Все точки плана для реализации всех возможных сочетаний уровней факторов определяли по формуле [1]:
N = 3 к,
(4.79)
где N – общее число различных точек в плане;
3 – число уровней;
k – общее число факторов.
После построения плана матрицы планирования проверяли ее свойства
[1]:
- симметричность относительно центра эксперимента – алгебраическая сумма элементов столбца каждого фактора должна быть равна нулю,
кроме столбца, отвечающего свободному члену, b 0, то есть
N
(4.72)
e =1 i, e = 0,
где - номер строчки плана;
- номер фактора;
N – число различных точек плана матрицы;
267
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- нормировку – сумма построчных квадратов каждого столбца равна
числу точек плана матрицы, то есть
N
2
(4.80)
e =1 X i,e = N.
- ортогональность – сумма построчных произведений планов матрицы любых двух столбцов равна нулю, то есть
N
(4.81)
e =1 X ie ∙ X je = 0,
где - комбинация факторов в e–ой точке, i≠j.
Построенный план матрицы планирования отвечал выше указанным свойствам, следовательно, математическая модель, полученная в результате эксперимента, способна предсказать значение показателя параметра оптимизации с одинаковой точностью в любых направлениях на
равных расстояниях от центра эксперимента.
По каждой точке плана матрицы планирования устанавливали действительные значения факторов, верхних, нижних или основных, в порядке реализации опытов первой серии эксперимента. Получали дествительные значения показателя параметра оптимизации по всем точкам плана
матрицы планирования. Затем значения факторов устанавливали по каждой точке плана матрицы планирования поочередно второй и третьей с ерии эксперимента.
Среднее значение показателя параметра оптимизации определяли
по реализации параллельных наблюдений по формуле [1]:
m
j=1 Y e ,j
Ye =
,
(4.82)
m
где Ye - среднее арифметическое по m опытов в точке с номером e;
e – строчка плана матрицы планирования;
Ye,j - действительное значение показателя параметра оптимизации;
m – число параллельных наблюдений в каждой точке.
Для оценки отклонения показателя параметра оптимизации от среднего
значения вычисляли дисперсию воспроизводимости по данным m параллельных наблюдений плана матрицы планирования в каждой точке по формуле [1,
76]:
2
m
j=1 Y e ср −Y e ,j
Se2
=
,
(4.83)
m −1
где Se2 - дисперсия в e–ой точке;
- порядковый номер параллельного опыта в данной точке плана
матрицы;
Yeср - среднее арифметическое значение параметра оптимизации
в m параллельных опытах в точке e;
Ye,j - значение параметра оптимизации в e–ой точке;
m − 1 - число параллельных наблюдений в точках плана матрицы.
268
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Полученные значения Se2 суммировали по текущим номерам точек
плана матрицы и находили максимальное значение дисперсии.
Затем проверяли однородность дисперсии. Для проверки гипотезы
однородности пользовались критерием Кохрена, то есть [76]:
G=
где
S 2e max
N S2
e =1 e
,
(4.85)
- критерий Кохрена;
максимальная дисперсия в e–ой точке;
- сумма всех дисперсий.
По полученному значению проверяли гипотезу о воспроизводимости измерений, для этого задали уровень значимости q=5%, определяли число степеней свободы, находили табличное значение критерия Кохрена Gкр
при соответствующих степенях свободы. Если расчетное значение оказалось меньше найденного табличного значения Gкр , то гипотеза об однородности дисперсий и воспроизводимости результатов принималась. Если проверка дала отрицательный результат, то увеличивали число параллельных
опытов.
Далее находили разность между значением эксперимента , определенным по формуле (4.85), и Gкр [76]:
Se2 max N
2
e=1 Se
N
S2
S 2 = S 2 Y = e =1 e ,
(4.86)
N
где S Y - средняя арифметическая дисперсия всех различных точек
плана матрицы или дисперсия параметра оптимизации;
e – дисперсия в e–ой точке;
N
2
e =1 Se - сумма всех дисперсий;
- общее число различных точек в плане матрицы планирования.
Коэффициенты регрессии определяем умножением Yeср на данные
X i,e в кодовых обозначениях с последующим делением полученного произведения на общее число точек в плане матрицы, то есть по формуле [76]:
N
X
∙Y
bi = e =1 i ,e e ср,
(4.87)
N
где bi - коэффициенты регрессии 0, 1, 2,…,k;
X i,e номер столбца в плане матрицы 0, 1, 2,…,k.
При равном числе параллельных опытов m во всех точках плана
матрицы дисперсию ошибки определяли по формуле [76]:
S2 Y
S 2 bi =
,
(4.88)
N∙m
где S 2 bi - дисперсия ошибки определения коэффициентов.
Вычисленные значения S 2 bi для всех коэффициентов одинаковые.
Далее находили среднеквадратичное отклонение дисперсии ошибки
определения коэффициентов регрессии bi по формуле [76]:
S bi =
269
S2 Y
N ∙m
.
(4.89)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Значимость коэффициентов регрессии определяли по t - критерию
Стьюдента. Для каждого коэффициента вычисляли значение t i – критерия
по формуле [1]:
b
ti = i .
(4.90)
S bi
Затем проверяли гипотезу о значимости коэффициентов регрессии.
Для этого задавались уровнем значимости q=5% и определяли число степеней свободы, находили критическое значение t кр . Для тех коэффициентов, у которых расчетное значение ti превышает t кр гипотеза отвергалась и
коэффициент bi признавался значимым. В противном случае bi считали
статистически не значимым.
Далее находили разность между расчетными значениями эксперимента ti и t кр .
По уравнению регрессии определяли величину Ye,л для каждой точки плана матрицы, то есть для каждой строчки, с учетом знака фактора в
плане матрицы находили алгебраическую сумму коэффициентов уравнения. Затем находили разность между средним значением Yeср показателя
параметра оптимизации процесса для каждой точки матрицы, полученным
экспериментально, и значением Ye,л , подсчитанным по уравнению регрес2
сии. Полученные результаты Yeср − Ye,л суммировали Nζ=1 Yeср − Ye,л .
Оценку адекватности модели определяли по формуле [76]:
2
m
2
N
Sад
=
Y − Ye,л ,
(4.91)
N −1 ζ=1 eср
2
где Sад
- оценка дисперсии адекватности модели;
Ye,л - математическое ожидание параметра оптимизации, подсчитанное по уравнению регрессии.
Адекватность модели проверяли по следующей формуле:
F=
S 2ад
S2 Y
,
(4.92)
где - критерий Фишера.
Для проверки адекватности модели задавались уровнем значимости
q=5% , определяли число степеней свободы, находили табличные значения
критерия Фишера Fкр для определенного числа степеней свободы. Гипотезу адекватности модели принимали в том случае, если расчетное значение
F, определенное по формуле (4.91), оказывалось меньше значения Fкр найденного в таблице.
270
Рисунок 4.30 - Программа обработки данных в Microsoft Excel
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
271
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Поскольку выбор контролируемых параметров процесса осуществлялся на основании требований к конечному результату при учете каждого
выделенного фактора, то оценивали коэффициенты влияния (чувствительности) в действительных значениях по формуле [1]:
b
Ai = i ,
(4.93)
ΔX i
где Ai - коэффициент чувствительности параметра процесса в действительных значениях.
Обработка полученных результатов проводилась при помощи разработанной программы в Microsoft Excel. После обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии для каждой из пар трения.
В результате расчетов выполненных с использованием программы,
получены адекватные математические модели первого порядка в раскодированном виде для критерия оптимизации:
 = 2,772+ 0,0034 + 0,41 + 0,021.
(4.94)
 = 2,438 + 0,002 + 0,22 + 0,012.
(4.95)
 = 0,374− 0,0002 + 0,02 + 0,0019.
(4.96)
Гипотеза адекватности представления полученных результатов первой степени подтверждена, поскольку расчетное значение критерия Фишера для полученных уравнений меньше табличного для 5% уровня значимости.
Таблица 4.7 - Матрица планирования эксперимента 32.
Номер опыта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Факторы
X1
+1
+1
-1
-1
+1
-1
0
0
0
X2
+1
-1
+1
-1
0
0
+1
-1
0
YA
15,26
6,56
6,47
4,16
8,65
5,19
8,22
4,69
5,93
Скорость износа (Y)
YB
8,79
3,85
3,74
2,51
5,16
3,20
4,99
3,05
3,85
YC
1,24
0,56
0,61
0,49
0,76
0,59
0,74
0,49
0,61
Обработка данных полученных в ходе эксперимента производилась при помощи разработанной программы в Microsoft Excel представленной на рисунке
4.30.
272
Скорость изнашивания y10-3, мкм/ч
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10
9.5
9
8.5
8
7.5
7
6.5
6
5.5
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0.5
0.875
1.25
1.625
2
Скорость относительного перемещения υ, м/с
Рисунок 4.31 - Зависимость скорости изнашивания от скорости относительного перемещения υ и давления Р пары трения без тонкопленочного покрытия (А)
Из рисунка 4.31 видно, что все зависимости линейны при условии обеспечения постоянного давления (Р=20МПа, Р=70МПа, Р=120МПа), с увеличением скорости перемещения плунжера возрастает скорость изнашивания, следующим образом при давлении Р=20МПа с увеличением скорости
относительного перемещения с 0,5 м/с до 2 м/с скорость изнашивания увеличивается с 3,24… 4,54 ∙ 10−3 мкм/ч, что составляет 40%, при Р=70МПа
и Р=120МПа скорость изнашивания увеличивается 3,91… 6,81 ∙ 10−3
мкм/ч и 4,58… 9,08 ∙ 10−3 мкм/ч соответственно.
Для остальных пар трения также получены линейные зависимости, представленные на рисунках 4.32 и 4.33.
273
Скорость изнашивания y10-3 , мкм/ч
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
5.5
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
Р= 20 Мпа
Р= 70 Мпа
Р= 120 Мпа
0.5
0.875
1.25
1.625
2
Скорость относительного перемещения υ, м/с
Рисунок 4.31 - Зависимость скорости изнашивания от скорости относительного перемещения υ и давления Р пары трения плунжер с покрытием втулка без тонкопленочного покрытия (В)
Скорость изнашивания y10 3 , мкм/ч
0.8
0.7
0.6
0.5
Р= 20МПа
0.4
Р=70Мпа
0.3
Р=120МПа
0.2
0.1
0
0.5
0.875
1.25 перемещения
1.625
2
Скорость
относительного
υ, м/с
Рисунок 4.32- Зависимость скорости изнашивания от скорости относительного перемещения
υ и давления Р пары трения плунжер и втулка с тонкопленочным покрытием (С)
Из рисунков 4.31 и 4.32 видно, что при одинаковых условиях проведения
исследований скорость изнашивания исследуемых пар трения снизилась.
Причем в паре трения (В) снижение скорости изнашивания при Р=20МПа,
Р=70МПа и Р=120МПа и изменении скорости относительного перемещения 0,5…2 м/с, составило 2,01… 2,7 ∙ 10−3 мкм/ч, 2,37… 3,99 ∙ 10−3 мкм/ч
и 2,74… 5,28 ∙ 10−3 мкм/ч соответственно. В паре трения (С) при аналогичных условиях скорость изнашивания составила 0,39… 0,47 ∙ 10−3
мкм/ч, 0,41… 0,63 ∙ 10−3 мкм/ч и 0,43… 0,79 ∙ 10−3 мкм/ч соответственно.
Скорость изнашивания пары трения (С) с тонкопленочным покрытием обоих образцов, в сравнении со скоростью изнашивания пар трения
(А) и (В) соответственно в 9 и 5 раз ниже.
Для более полного анализа полученных функций отклика для всех пар
трения, введем коэффициент ―k‖ – относительной износостойкости одной
функции отклика к другой:
274
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 =


,
(4.97)
где  и  – значения критерия оптимизации i-ой и j-ой пары трения при
фиксированных значениях Х1, Х2 (Р, υ).
Относительная износостойкость
1.78
1.74
1.7
1.66
Р=20 Мпа
Р= 70МПа
1.62
Р=120МПа
1.58
1.54
1.5
0.5
1.25
2
Скорость относительного перемещения υ, м/с
Рисунок 4.33 – Зависимость относительной износостойкости k АВ от скорости относительного перемещения
Относительная износостойкость
11.6
11.2
10.8
10.4
Р=20 Мпа
10
Р= 70МПа
9.6
Р=120МПа
9.2
8.8
8.4
8
0.5
1.25
2
Скорость относительного перемещения υ, м/с
Рисунок 4.34 - Зависимость относительной износостойкости k АС от скорости относительного перемещения
275
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коэффициенты kАВ и kАС показывают отношение скорости изнашивания пары трения «А» соответственно к парам трения «В» и «С». Данные
по расчетам всех коэффициентов относительности представлены в приложении, на основании этих данных построены аналитические зависимости,
представленные на рисунке 4.33 и 4.34.
В ходе обработки данных по коэффициентам относительности kАВ и
kАС получены нелинейные зависимости, характеризующие во сколько раз
снизится скорость изнашивания исследуемых пар трения относительно друг
друга.
На рисунке 4.33 представлена аналитическая зависимость относительной
износостойкости коэффициента kАВ при изменении давления.
С изменением скорости относительного перемещения в пределе
0,5…2 м/с износостойкость пары трения «В» относительно пары трения
«А» при давлении Р=20МПа увеличилось с 1,62 до 1,68 раза, при давлении
Р=70МПа и Р=120МПа увеличение износостойкости составило с 1,65 до
1,71 и с 1,67 до 1,72 соответственно.
Аналитическая зависимость увеличения износостойкости свидетельствует о том, что наличие тонкопленочного алмазоподобного покрытия на одном образце пары трения обеспечивает снижение скорости изнашивания рабочих поверхностей контактируемых деталей до 1,7 раза.
На рисунке 4.34 представлена аналитическая зависимость снижения скорости изнашивания пары трения плунжер и втулка с покрытием
«С» относительно пары трения плунжер и втулка без покрытия «А». С изменением скорости относительного перемещения в пределе 0,5…2 м/с при
давлении Р=20МПа, Р=70МПа и Р=120МПа увеличение износостойкости
пары трения «С» относительно пары трения «А» составило с 8,31 до 9,66
раза, с 9,54 до 10,81 раза и с 10,65 до 11,49 раза соответственно.
Таким образом, обеспечение тонкопленочного покрытия на рабочих поверхностях плунжерных пар способствует снижению скорости изнашивания в 12 раз.
4.7 Стендовые испытания плунжерных пар ТНВД на различных режимах, близких к эксплуатационным
Для определения скорости изнашивания применялась машина трения
МТУ-01 (рис. 4.35, а).
Универсальная машина трения МТУ-01 предназначена для
проведения испытаний на трение и изнашивание металлических и
неметаллических материалов в условиях применения различных
смазочных материалов (масла и пластичные смазки).
С помощью машины трения МТУ-01 можно определять и
контролировать триботехнические характеристики различных материалов
и смазочных составов, при проведении научно-исследовательских работ
276
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
для определения оптимальных сочетаний материалов и смазочных
составов с целью повышения износостойкости различных узлов машин и
механизмов, а также в учебных целях при проведении лабораторных и
исследовательских работ по триботехнике.
Компоновка машины трения МТУ-01 предполагает проведение исследований на образцах по принципу «торец-диск» (рис. 4.35, б). Образцы
закреплялись в верхнем диске, который затем крепится в привод машины
трения. Общая методика работы машины трения будет описана в другом
разделе.
а
б
Рисунок 4.35 - Общий вид оборудования для проведения исследований износостойкости: а - универсальная машина трения модели МТУ-01; б - крепления исследуемых образцов на машине трения
Метод испытаний основан на взаимном перемещении прижатых
друг к другу с заданным усилием испытываемых образцов в среде смазочных материалов. При этом используется принцип трения торца цилиндрического образца о плоскую сторону диска. Цилиндрический образец имеет
полость для закладки дозированного количества смазочного материала,
который при работе машины постепенно поступает в зону контакта. В
процессе испытания тензодатчиком регистрируется момент трения с графическим отображением его изменения, а также изменение веса испытуемых образцов. Регистрируемые параметры записываются и обрабатываются с использованием ПЭВМ.
Особенностью машины трения МТУ-01 является использование в
качестве привода серийно выпускаемого настольного сверлильного станка,
который в сочетании с оригинальным блоком узла трения позволяет сохранять при работе параллельность трущихся поверхностей. Мощность
277
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
привода определяется характеристиками сверлильного станка. Габариты
машины трения позволяют размещать ее на лабораторном столе.
Машина трения позволяет получить результат испытаний в течение
одного часа. Ее можно также использовать при длительных испытаниях
продолжительностью несколько часов.
Для проведения многофакторного эксперимента были изготовлены
образцы «торец» (рис. 4.36, а) в качестве подложки и «пластина» (рис.
4.36, б) в качестве движущегося элемента по подложке.
а
б
Рисунок 3.36 – Общий вид изготовленных образцов для проведения многофа кторного эксперимента: а – образцы типа «торец»; б - образцы типа «пластина»
Методикой исследования на МТУ-01 предусматривается весовой
метод контроля износа по ГОСТ 27860–88. Но при исследовании износа
деталей, в условиях смазки, для его регистрации необходимо промывка,
просушка образцов и тщательное удаление смазки с поверхностей, что как
показывает практика не всегда достижимо при изменении свойств смазки.
Кроме того, при наличии весов высокой точности требуется большое количество циклов опытов, чтобы получить достоверную информацию.
Поэтому при проведении эксперимента, учитывая небольшую величину наносимого покрытия до 3 мкм, была применена методика определения износа методом отпечатков.
К недостаткам относится то, что после вдавливания индентора на
поверхности образуется наплыв, который вспучивается над поверхностью
и в начале контакта при исследовании на износ, фактические площади касания значительно меньше, что увеличивает интенсивность износа. Для
устранения этого недостатка нами предлагается следующая последовательность подготовки образца. Подготовленные образцы по параметрам
шероховатости плунжера и втулки, закрепляются первоначально на рабочем столе микротвердомера HV-1000. С использованием алмазной пирамиды с углом при вершине 120° наносится отпечаток при усилии 100Н.
278
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Далее на шлифовально-полировальном станке FORCIMAT 1M наплыв или
вспучивание устраняется полировкой образцов. После этого в зависимости
от условий эксперимента наносится или не наносится тонкопленочное покрытие. После этого образцы готовы к использованию.
Подготовка образцов топлива
Одним из наиболее значимых факторов, определяющих стабильность параметров топливоподачи насосными секциями, является качество
топлива.
В соответствие с ГОСТ 2177-99 дизельное топливо должно иметь
одинаковые показатели и свойства, представленные в таблице (приложение
1).
Перед проведением опытов топливо, подаваемое в зону трения образцов машины трения МТУ-01, оценивалось по параметрам качества в
инновационной лаборатории «Топливо-смазочные материалы и системы
питания автотракторных двигателей» Ставропольского ГАУ. Анализ данных таблицы показывает, что топливо, отобранное для проведения эксперимента, соответствует полностью по всем параметрам ГОСТ 2177-99.
Все образцы топлива находились в одинаковых условиях хранения
при комнатной температуре лаборатории в стеклянной посуде. Для устранения оседания порошка, перед проведением опыта топливо тщательно
перемешивалось. При изменении условий опыта в соответствие с планом и
матрицей кювета, в которой размещался образец, промывалось и очищалось в моечной установке.
Тарировка размеров отпечатков от износа
Заключительной операцией при подготовке образцов было устранение наплывов и нанесение покрытия. Перед установкой этих образцов на
машину трения МТУ-01 производится измерение отпечатков, полученных
после полировки. Для этого использовалось программное обеспечение металлографического микроскопа Axiovert 40 MAT. Измерение исходных
размеров отпечатков производилось при различном увеличении. Это дает
возможность объективно оценивать развитие износа поверхностей образцов даже при их небольших величинах.
Методика отпечатков для определения величины износа
На точность определения величины диагонали отпечатка значительно влияет вспучивание металла вокруг отпечатка при вдавливании пирамиды, а также регистрирующая система измерительных приборов. В связи
с этим, перед первым замером диагонали отпечатка, вспучивание сошлифовывается, либо удаляется предварительной приработкой исследуемой
279
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
поверхности. Кроме того, применение метода отпечатков затруднено и в
тех случаях, когда износ сопровождается пластическим деформированием
поверхностного слоя.
Рассмотренные методы имеют свои достоинства и недостатки. Весовой метод считается наиболее рациональным, так как время, затрачиваемое
на взвешивание образцов, может быть минимальным среди всех методов.
Определение величины износа весовым методом сводится к разности
массы образца до и после исследований:
∆ = 1 − 2 ,
(4.98)
где m1 – масса образца до исследований,
m2 - масса образца после исследований.
Примем, что исследуемый образец имеет форму цилиндра с площадью основания S и длиной l1, изготовленного из стали с плотностью
γ=7,8·10-3 г/мм3. Образец ориентирован так, чтобы его ось была перпендикулярна контртелу, а износ происходит по длине (рис. 4.37). Исходя из
этого формулу (4.37) можно представить в следующем виде:
∆ ∙  = 1 ∙  − 2 ∙ ,
(4.99)
где V1 – объем образца до исследований,
V2 – объем образца после исследований.
Объем исследуемого образца можно вычислить по формуле:
 =  ∙ ,
(4.100)
где l и S – соответственно, длина и площадь основания образца.
Рисунок 4.37 – Схема к определению массы изношенного образца
Подставив формулу (4.98) в формулу (4.99) получим:
∆ ∙  ∙  = 1 ∙  ∙  − 2 ∙  ∙ ,
(4.101)
Определение величины износа весовым методом можно представить
в следующем виде:
 ∙ 2
∆ = ∆ ∙  = ∆ ∙  ∙  = ∆ ∙  ∙
,
(4.102)
4
При исследовании образца цилиндрической формы диаметром 10 мм
установим величину изменения массы, если изменение длины составит 1
мм. Подставив все известные значения в формулу (4.94) получим:
 ∙ 2
3,14 ∙100
∆ = ∆ ∙  ∙
= 1 ∙ 7,8 ∙ 10−3 ∙
= 0,612 г. (4.103)
4
4
При изнашивании стального образца цилиндрической формы с диаметром 10 мм на 1 мм, его масса уменьшается на 0,612 г. Аналогично
280
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
можно сказать, что при износе каждого микрометра в поперечном сечении
такого образца необходимо фиксировать весовым методом 0,612 мг потерь
его массы. Это в свою очередь требует дополнительного очень точного весового оборудования, как правило, электронного, или необходимо увеличивать продолжительность эксперимента. При исследовании величины износа высокотвердых материалов, работающих в условиях смазки, требуется еще больше увеличивать время проведения испытаний, или проводить
ускоренные испытания за счет добавления в смазочные материалы абразивных частиц. Это искажает реальные условия взаимодействия рабочих
поверхностей трибосопряжений, которые с некоторыми допущениями моделируются на испытательных машинах. Кроме этого, для взвешивания
таких образцов требуется дополнительные операции по очистке, мойке и
сушке, которые необходимы для полного удаления частиц смазки и износа.
Наличие нового современного измерительного оборудования позволило нам предложить усовершенствованную методику, которая расширяет
возможности метода отпечатков.
Рассмотрим схему развития износа на отпечатке, который сделан алмазной пирамидой с углом между боковыми гранями 1360 (рис. 4.38).
Величина износа в каждом эксперименте характеризуется величиной
изменения глубины отпечатка каждого образца, находящегося в контакте.
Значение глубины отпечатка можно представить в виде выражения
=

2∙

2
,
(4.104)
где D – среднее значение диагоналей отпечатка, мкм.
h – глубина отпечатка, мкм;
α – угол между противоположными ребрами пирамиды.
Рисунок 4.38 – Схема к определению величины износа методом отпечатков
281
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тогда величина износа после установленной продолжительности
цикла отдельного опыта будет определяться из следующего выражения
∆1 =
 −1
2∙ 2∙

2
,
(4.105)
где β – угол между боковыми гранями алмазной пирамиды, β=1360.
Учитывая значение постоянных характеристик алмазного индентора,
определим характер изменения диагоналей отпечатка за каждый цикл опытов, при величине износа 1 мкм. Преобразуем выражение (4.104), получим
+1 =  − 7,
(4.106)
После проведения цикла испытаний, которое характеризуется износом одного из контролируемых образцов в 1 мкм, изменение диагоналей
отпечатка составляет 7 мкм, т.е. имеет постоянное соотношение 1:7.
Таким образом, предлагаемая методика определения износа образцов
при их испытании на износостойкость поверхностных слоев позволяет более оперативно и достоверно определять динамику изменения скорости
изнашивания материалов и покрытий. Другим положительным моментом
является также и сокращение времени на проведение исследований.
Сравнительные испытания проводились на стенде СДМ 12-01 на
примере топливного насоса высокого давления 4УТНМ, на который были
установлены плунжерные пары с покрытием и без покрытия. Общая продолжительность испытания плунжерных пар составила порядка 1600 моточ, на протяжении всего периода исследований считывались показания по
топливоподаче насосных секций, при различных скоростных режимах.
Проведенные исследования позволили установить зависимость цикловой
подачи от времени наработки и частоты вращения кулачкового вала:
цЭ = 0,18 ∙  − 0,0011∙  − 9,05 ∙ 10−5 2 − 20,6,
(4.107)
цз = 0,23 ∙  − 0,0006∙  − 0,0001∙ 2 − 44,9,
(4.108)
где цЭ – цикловая подача экспериментальных плунжерных пар, мл;
цз - цикловая подача заводских плунжерных пар, мл;
t – наработка плунжерных пар, мото-ч;
n – частота вращения кулачкового вала топливного насоса, мин -1.
За период от начала эксплуатации до наработки плунжерных пар 1600 мото-ч, при номинальной частоте вращения (n1=1100 мин-1) кулачкового вала
топливного насоса, цикловая подача изменялась в соответствии с формулами [154]:

э 1 = 69,2 − 0,0004∙ ,
(4.109)
1
з = 69,6 − 0,0012∙ ,
(4.110)
1
где э – цикловая подача экспериментальных плунжерных пар;

з 1 - цикловая подача заводских плунжерных пар.
Результаты, полученные в ходе испытаний, представлены в рисунке 4.13.
282
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
Рисунок 4.39 – Изменение цикловой подачи экспериментальных (а) и заводских (б)
плунжерных пар в зависимости от ресурса и оборотов кулачкового вала
283
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С уменьшением частоты вращения кулачкового вала ТНВД до 800
мин , снижение цикловой подачи экспериментальных и заводских плунжерных пар составило 1,8% и 5,5%, а неравномерность топливоподачи по
секциям повысилась до 2,3% и 6,7%, соответственно.
При частоте вращения кулачкового вала до 500 мин -1, снижение
цикловой подачи экспериментальных плунжерных пар составило 4,9% с
неравномерностью подачи по секциям 2,8%, а у заводских 9,3% и 24,6%,
соответственно.
-1
4.8 Исследование загрузки тракторов по данным системы GPS
навигации
В настоящее время в различных отраслях промышленности, особенно при ремонте и восстановлении узлов и деталей автотракторных дизелей, получили широкое распространение ускоренные износные испытания.
Необходимость проведения стендовых испытаний диктуется тем,
что при малых затратах как времени, так и материальных средств, можно
получить результат, позволяющий говорить о целесообразности разрабатываемого способа восстановления.
Испытания проводили на участке по ремонту топливной аппаратуры кафедры «Технический сервис, стандартизация и метрология» ФГБОУ
ВПО Ставропольского государственного аграрного университета, используя стенд СДМ 12-01 (рис. 4.40), который состоит из корпуса, электропривода, системы топливоподачи, электрооборудования и приборов. Полученные данные в ходе проведения испытаний фиксируются при помощи
ПК.
Количество впрыснутого топлива замеряют мерными емкостями,
закрепленными зажимами на поворотной рамке. Управление приводом
выходного вала производится при помощи тахосчетчика.
Экспериментальный топливный насос марки 4УТНМ комплектовался
серийными и экспериментальными плунжерными парами. Геометрические
параметры рабочих поверхностей плунжерных пар соответствовали требованиям, предъявляемым к ним [153]: шероховатость рабочих поверхностей
втулки и плунжера Ra = 0,04... 0,06 мкм, нецилиндричность - 2...4 мкм, некруглость - 0,2...0,3 мкм, конусность по длине 20 мм - не более 0,5...0,6 мкм.
Экспериментальные плунжерные пары комплектовались в секции по гидроплотности.
Насос комплектовался двумя серийными и двумя экспериментальными плунжерными парами. Исследования проводили на чистом дизельном топливе (обкатка 10 ч) не содержащем абразивных частиц и отсутствия воды. После каждой серии экспериментов топливо заменяли. Температура в топливном баке поддерживалась 48...50 °С.
284
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 4.40 – Общий вид стенда СДМ 12-01
Режим работы исследуемого топливного насоса соответствовал условиям работы дизеля МТЗ-80. Частота вращения кулачкового вала насоса
изменялась в соответствии с эксплуатационными режимами работы в пределах от 200 до 1000 мин-1, с интервалом 100 мин-1. Изменение цикловой
подачи топлива фиксировалось с определенной частотой вращения кулачкового вала при различном положении рейки L=0…6 мм. Положение рейки при L=0 мм соответствует максимальной подаче дизельного топлива.
Полученные результаты испытаний топливных насосов с серийными и экспериметальными плунжерными парами были использованы для
построения графических зависимостей.
При снятии скоростной характеристики топливного насоса перемещаем рейку в сторону максимальной подачи, соответствующей номинальной подаче и фиксируем ее в этом положении. Устанавливали номинальную частоту вращения вала топливного насоса, а также количество циклов
соответствующее номинальной частоте. После снятия показаний, уменьшали частоту вращения насоса на 100 мин-1.
285
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
180
y = -2.207x2 + 27.32x + 82.44
Цикловая подача, мл
160
140
y = -6,05x + 143,19
120
100
L=0 мм
L=2 мм
80
y = -4,45x + 62,806
60
L=4 мм
L=6 мм
40
y = -4,7583x + 49,958
20
0
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Обороты кулачкового вала, мин-1
Рисунок 4.41 – Изменение цикловой подачи заводских плунжерных пар при различном
положении рейки
180
160
y = 0.208x + 126.7
Цикловая подача, мл
140
L=0
мм
120
y = 4.041x + 79.62
100
L=2
мм
y = 2.258x + 47.04
80
L=4
мм
60
40
L=6
мм
y = 0.983x + 21.30
20
0
200
300
400
500
600
700
800-1
Обороты
кулачкового
вала,
мин
900
1000
Рисунок 4.42 - Изменение цикловой подачи экспериментальных плунжерных пар при
различном положении рейки
Средняя цикловая подача по секциям определялась по формуле:
ср =
1

286

=1  ,
(4.111)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где qi – цикловая подача i-ой насосной секции, мл;
m - количество насосных секций.
Степень неравномерности подачи топлива определяется по формуле:
=
2∙   − 
  + 
∙ 100%,
(4.112)
где qmax и qmin соответственно, подача топлива в мл максимально подающей и минимально подающей насосных секций.
После обработки результатов опытов строят характеристику топливного
насоса высокого давления по подаче топлива, графически выражающую
зависимость: qср=f(n)
На рисунке 4.41 представлено изменение цикловой подачи заводских плунжерных пар в зависимости от частоты вращения кулачкового
вала топливного насоса и положения рейки. Изменение цикловой подачи
топлива заводских плунжерных пар при частоте вращения кулачкового вала в диапазоне 200…1000 мин-1 при L=0 мм, что соответствует положению
рейки максимальной подачи топлива, составило 115…145 мл или на 26,1%,
при L=2 мм, L=4 мм и L=6 мм уменьшение цикловой подачи составило
57,1%, 54,5% и 53% соответственно. Причем при положении рейки L=6 мм
в диапазоне частоты вращения кулачкового вала 200…300 мин -1 топливо
не подавалось.
На рисунке 4.42 представлено изменение цикловой подачи экспериментальных плунжерных пар при различном положении рейки. При положении рейки L=0 мм снижения подачи топлива не было, при L=2 мм, L=4 мм и
L=6 мм уменьшение цикловой подачи составило 35,2%, 37,7% и 26,1% соответственно.
В ходе проведения испытаний заводских и экспериментальных плунжерных пар, в зависимости от изменения частоты вращения кулачкового вала и изменения положения рейки, кроме снижения цикловой подачи наблюдалось неравномерность подачи топлива по секциям. Аналитическая зависимость неравномерности подачи топлива заводских и экспериментальных
плунжерных пар от оборотов кулачкового вала и положения рейки представлена на рисунках 4.43 и 4.44.
Анализ графика представленного на рисунке 4.43 показывает, что
при оборотах кулачкового вала 1000 мин-1 неравномерность подачи топлива заводских плунжерных пар по секциям при L=0 мм, L=2 мм, L=4 мм и
L=6 мм составила 5,2%, 6,2%, 7,2% и 7,7% соответственно, что объясняется высокой скоростью перемещения плунжера относительно втулки и малой продолжительности процесса топливоподачи. При высоких оборотах
кулачкового вала изменение зазора в плунжерной паре в пределах 0,6…14
мкм практически не влияет на основные параметры топливоподачи. Отклонение неравномерности цикловой подачи по секциям от нормы (5%) не
значительно.
287
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Неравномерность цикловой подачи, %
40
35
30
25
L=0 мм
20
L=2 мм
L=4 мм
15
L=6 мм
10
5
0
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Обороты кулачкового вала, мин-1
Рисунок 4.43 - Неравномерность цикловой подачи заводских плунжерных пар при различном положении рейки
С уменьшением частоты вращения кулачкового вала неравномерность цикловой подачи топлива возрастает при всех положениях рейки.
Например, при L=0 мм и n=1000 мин-1 неравномерность подачи топлива
составляет 5,2%, а при n=200 мин-1 неравномерность в 4,9 раза выше и составляет 25,4%. В тех же условиях при положении рейки L=2 мм, L=4 мм
и L=6 мм неравномерность цикловой подачи увеличилась в 4,8, 5 и 4 раза
соответственно. Полученные данные свидетельствуют о нестабильной работе топливного насоса и как следствие повышенному расходу топлива.
Анализ рисунка 4.45 показывает, что при номинальной частоте
вращения кулачкового вала на всем диапазоне положения рейки неравномерность цикловой подачи колеблется в пределах 1,2…1,5%. С изменением частоты вращения неравномерность цикловой подачи топлива экспериментальных плунжерных пар увеличивается, но не превышает допустимых
значений.
Спутниковое слежение занимает особенную нишу и пользуется все
возрастающим спросом не только у транспортных компаний, которые
осознают необходимость контроля водителей, чтобы те не отклонялись от
маршрута, но и у сельскохозяйственных предприятий, что объясняется
возможностями современных систем спутникового мониторинга транспорта.
288
Неравномерность цикловой подачи, %
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
5.6
5.2
4.8
4.4
4
3.6
3.2
2.8
2.4
2
1.6
1.2
0.8
0.4
0
L=0 мм
L=2 мм
L=4 мм
L=6 мм
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Обороты кулачкового вала, мин-1
Рисунок 4.45 - Неравномерность цикловой подачи экспериментальных плунжерных пар
при различном положении рейки
GPS мониторинг транспорта «АвтоСкан» — собственная разработка Нижегородской фирмы ООО «М-Лайн», построенная по технологии
GPS слежения и использующая данные GPS/ГЛОНАСС.
Система слежения за транспортом представляет собой электронный
прибор, с подключаемыми к нему датчиками, который устанавливается на
каждую единицу контролируемого транспорта. Система использует GSMмодем для обмена данными и систему GPS-навигации для определения координат. Наблюдать за движением ваших транспортных средств можно с
компьютера, имеющего доступ в Интернет.
Формирование графических и статистических отчетов (рис. 4.46) по
пробегам, расходу топлива, режимы работы двигателя, остановкам, стоянкам, простоям, посещение объектов, отчетов о нарушении скоростного режима и других событиях с указанием времени.
Загрузка дизельной техники, при выполнении различных технологических операций, устанавливалась по основным показателям работы
двигателя, с использованием спутниковой системы навигации АвтоСкан
JPS. Система слежения за транспортом представляет собой электронный
прибор, с подключаемыми к нему датчиками, который устанавливается на
наблюдаемую технику. Система использует GSM-модем для обмена данными и систему GPS-навигации для определения координат ее месторасположения. Наблюдения за движением транспортных средств можно осуществлять при помощи компьютера, имеющего доступ в Интернет. Устройство слежения работает в режиме реального времени с применением
режима «черный ящик».
289
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 4.46 - Основное окно программы Автоскан GPS, вкладка "Графики"
При отсутствии GSM связи данные сохраняются в памяти прибора.
Память «черного ящика» работает автономно в течение 2-6 месяцев. После
появления GSM сигнала система GPS мониторинга автоматически передает данные на телематический сервер. Навигационный терминал позволяет
в реальном времени определять местонахождение объекта, а так же передавать данные о скоростных режимах, расходе топлива, оборотах коленчатого вала и т.д. Данными системами контроля оборудованы практически
все виды мобильной техники в учебно-опытном хозяйстве Ставропольского государственного аграрного университета, а также в ряде сельскохозяйственных предприятий Краснодарского края.
При выполнении транспортных работ трактором МТЗ-80, частота вращения коленчатого вала двигателя Д-240 составила 1125±375 мин-1.. Анализ
динамики изменения частоты вращения коленчатого вала показывает, что
вариация этого показателя для трактора МТЗ-80 составляет ±33,3%, для
трактора John Deere ±2,9%, а для New Holland ±10,7%, что объясняется
различием механической и электронной систем впрыска топлива.
Данные системы навигации позволили определить степень загрузки других марок тракторов, при выполнении различных технологических операций. Полученные результаты представлены в таблице 4.8.
290
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Проведенный анализ данных установил, что максимальная загрузка
двигателей тракторов приходится на выполнение таких технологических
операций как посев и вспашка. На посеве различных культур величина
средней загрузки двигателей колеблется в пределах 76…83% в зависимости от типа трактора.
Таблица 4.8 – Степень загрузки двигателей при выполнении технологических операций.
John
К-701
МТЗ-80
Deere
6830
Технические характеристики
Т-15005-09
New
Claas Ares
Holland
697
Т8040
Мощность номинальная, кВт/л.с.
221/300
129/175
55/75
99/135
103/140
Модель двигателя
ЯМЗ240Б
ЯМЗ-236
Д-240
JD PowerTech
Arion 630
223/30
3
New
Holland
Номинальный расход топлива, г/кВт.
224
220
240
230
220
225
ч
Номинальная частота вращения колен1900
2100
2200
2100
2200
2200
-1
чатого вала, мин
Средняя величина использования тракторов (числитель) и степень загрузки двигателя
(знаменатель) при выполнении технологических операций, %
Транспортирование
Междурядная обработка
Заготовка кормов
Посев
Культивация
Внесение удобрений
Вспашка
43,6/62
42,9/59
49,4/50
46,6/45
50,3/45
38,9/45
-
-
6,7/50
-
-
-
7,9/76
22,2/58
8,6/79
25,6/62
11,9/47
5,8/83
6,4/45
14,5/50
7,3/79
5,2/50
14,9/50
7,1/78
3,2/45
13,2/50
7,9/80
5,1/53
-
-
5,9/47
6,8/50
4,8/55
6,8/53
26,3/89
22,9/88
13,9/86
19,6/88
19,7/89
28,1/87
На вспашке эти колебания проявляются меньше, и загрузка составляет 86…89%. Но доля этих технологических операций не одинакова и зависит от тягового класса и назначения трактора. В среднем 80,3% от общего годового объема работ, выполняются сельскохозяйственными тракторами класса 14 кН, с загрузкой двигателя в пределах 45…50%. На таких
операциях как транспортирование и междурядная обработка продолжительность работы составляет 50%, на заготовке кормов 47%, культивации
45% и внесении удобрений 47%. Высокая степень загрузки двигателя наблюдается при вспашке (86%) и посеве (83%), но данные технологические
операции занимают в среднем 19,7% от общего объема работ.
Частые изменения загрузки тракторов приводят не только к изменению
режимов работы двигателя, но и варьированию режимов работы топливно291
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
го насоса, который обеспечивает необходимые параметры топливоподачи
в соответствие с загрузкой тракторов.
Для более полного анализа данных расхода топлива при выполнении технологических операций тракторами, оборудованными стандартными и упрочненными плунжерными парами, был введен коэффициент относительного эффекта снижения расхода топлива - Э. Введенный коэффициент определяется отношением расходов топлива трактора с серийными и экспериментальными плунжерными парами:
Э=
с
общ
э
общ
=
с + 
с
с
 рх  рх 1+ рх
хх хх 1+ хх + о  о(1+ о )
э + 
э
э
 рх  рх 1+ рх
хх хх 1+ хх + о  о(1+ о )
,
(4.114)
с
э
где общ
и общ
- общий расход топлива за период выполнения технологических операций дизельным энергосредством в составе МТА соответственно с существующими и экспериментальными плунжерными парами;.
Используя данные полученные по неравномерности подачи топлива (рис.
4.16 и 4.17) и коэффициент относительного эффекта снижения расхода
топлива получим, что при положении рейки L=0 мм, L=2 мм, L=4 мм и
L=6 мм расход дизельного топлива двигателем, оборудованным стандартными плунжерными парами на 11%, 16%, 20% и 23% соответственно
больше расхода топлива при тех же условиях, но с упрочненными плунжерными парами. Полученная зависимость позволяет сделать вывод о
снижении расхода топлива дизельной техники укомплектованной упрочненными плунжерными парами по отношению расхода топлива со стандартными плунжерными парами, в зависимости от положения рейки.
При увеличении наработки у заводских плунжерных пар наблюдается увеличение зазора между плунжером и втулкой, что проводит к повышению
неравномерности подачи дизельного топлива по секциям. Вследствие чего
будет увеличиваться и общий расход топлива.
При увеличении наработки экспериментальных плунжерных пар, за счет
особых физико-механических свойств покрытия увеличение зазора между
плунжером и втулкой намного позже, что подтверждают проведенные исследования.
4.9 Прогнозирование ресурса сравниваемых вариантов плунжерных пар и технико-экономическая эффективность предложенных
решений
Для определения ресурса плунжерных пар воспользуемся математическими моделями скорости изнашивания, полученными в ходе проведения многофакторного эксперимента:
 вып = 2,772+ 0,0034 + 0,41 + 0,021,
(4.115)
эксп

= 0,374 − 0,0002 + 0,02 + 0,0019,
(4.116)
вып
эксп
где 
и
– скорость изнашивания заводских и экспериментальных
плунжерных пар соответственно, 10-3 мкм/ч.
292
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При проведении многофакторного эксперимента было установлено, что у
заводских и экспериментальных плунжерных пар скорость изнашивания
максимальна при максимальном давлении в зоне контакта (Р=120 МПа) и
максимальной скорости относительного перемещения (υ=2 м/с), поэтому
расчет ресурса производился относительно этих данных.
Основываясь на полученных вычислениях получена модель формирования постепенного отказа (рис. 4.47) заводских и экспериментальных плунжерных пар.
При максимальных значениях давления в зоне контакта и скорости
относительного перемещения, процесс изнашивания рабочих поверхностей
заводских и экспериментальных плунжерных пар будет происходить со
скоростью 1с = 9мкм и 1э = 0,85мкм за 1000ч соответственно. При такой
скорости изнашивания ресурс заводских плунжерных пар составит
Тс = 2500 ч, что в 2,4 раза меньше ресурса экспериментальных.
При минимальных значениях давления в зоне контакта и скорости относительного перемещения, скорость изнашивания рабочих поверхностей заводских и экспериментальных плунжерных пар составит 2с = 5,5мкм и 2э =
0,57мкм за 1000ч соответственно. При таких показателях ресурс экспериментальных плунжерных пар составит Тэ = 9000 ч, что в 2,25 раза
больше ресурса заводских плунжерных пар.
Рисунок 4.47 – Модель формирования постепенного отказа заводских и экспериментальных плунжерных пар
293
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таким образом, формирование тонкопленочных износостойких покрытий
на рабочих поверхностях плунжерных пар обеспечивает повышение ресурса в 2,25… 2,4 раза.
Для условий КФХ «Курочкина Е.Н.» расчет стоимости переоборудования трактора МТЗ-80 производили по формуле [130]:
Uп = Цд+Сн+Су ,
(4.117)
где Цд – стоимость новых плунжерных пар, руб;
Сн – стоимость настройки ТНВД, руб;
Су – стоимость нанесения покрытия финишным плазменным
упрочнением, руб.
Средняя стоимость плунжерной пары топливного насоса 4УТНМ
составляет 280 руб/шт.
Стоимость настройки ТНВД составляет 1320 рублей за один топливный насос и включает в себя затраты на разборку и сборку, что соответствует прейскуранту цен на проведение данных операций для «ОАО
Кочубеевский ремонтный завод». Транспортные расходы, связанные с доставкой топливного насоса на ремонтный завод, составляют 630 руб.
Расчет себестоимости упрочнения плунжерных пар осуществляется по
формуле:
C = Зпр + Зар + Зв + Зэл + Зам [руб./час],
(4.118)
где Зпр – затраты на препараты Сетол 1 и Сетол 2, используемые
как основные компоненты для получения износостойкого покрытия при
ФПУ, руб./час;
Зар – затраты на аргон, применяемый в качестве плазмообразующего, транспортирующего и защитного газов в установках для ФПУ, руб./час;
Зв – затраты на воду, используемую для охлаждения плазмотрона
установки для ФПУ, руб./час;
Зэл – затраты на электроэнергию, затрачиваемую при работе установки для ФПУ, руб./час;
Зам – затраты на амортизацию установки для ФПУ, руб./час.
Затраты на препараты Сетол 1 и Сетол 2:
Зпр=Зсет1+Зсет2 ,
(4.119)
где Зсет1 – затраты на препараты Сетол 1 руб./час;
Зсет2 – затраты на препараты Сетол 2 руб./час;
В установках для ФПУ расход препаратов Сетол 1 и Сетол 2 составляет по 0,5 мл/час каждого (ориентировочно при односменной работе
и коэффициенте загрузки установки 0,5 расход препаратов Сетол 1 и Сетол
2 в год составляет по 0,5 л каждого). Общая стоимость препаратов Сетол 1
и Сетол 2 в количествах по 0,3 л каждого составляет 25000 руб. (поставщик препаратов Сетол 1 и Сетол 2 – ООО «НПФ «Плазмацентр», СанктПетербург). Стоимость 1 мл препаратов Сетол 1 и Сетол 2 составляет 50
руб.
294
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Расчет затрат на аргон производится по формуле:
Зар= Рар∙ С1ар,
(4.120)
где Рар – расход аргона в час, л/час;
С1ар – стоимость 1 л аргона, руб.
В установках для ФПУ расход аргона составляет не более 5 л/мин
(300 л/час).
Стоимость 1л аргона определяем по формуле:
С1ар=Сбал/Вбал,
(4.121)
где Сбал – стоимость 1 баллона с аргоном (в соответствии с прайсом
ООО « » стоимость 6 литрового баллона составляет 520 руб.)
Вбал– Вместимость 1 баллона с аргоном (по ГОСТу 949-73 вместимость баллона составляет – 6000 л.)
С1ар=520/6000=0,087 руб.
Зар=300∙0,087=26,1 руб./час.
Расчет затрат на воду производится по формуле:
Зв= Звод+ Зслив,
(4.122)
где Звод – Затраты на потребление воды при эксплуатации установки
для ФПУ, руб./час.
Зслив – Затраты на слив в канализацию воды при эксплуатации установки для ФПУ, руб./час.
Затраты на потребление воды при эксплуатации установки для
ФПУ определяем по формуле:
Звод = Рв ∙С1в ,
(4.123)
где Рв – расход воды в час, л/час
С1в– стоимость 1 литра воды, руб.
В установках для ФПУ расход воды составляет не более 180 л/час.
Стоимость 1 литра воды определяем по формуле:
С1в=С1м3/1000
(4.124)
где С1м3–стоимость 1 м3 воды составляет, руб.
Тариф на потребление 1 м3 воды составляет 17,40 руб.
С1в=17,40/1000=0,0174 руб.
Звод = 180 ∙0,0174=3,13 руб./час.
Затраты на слив в канализацию воды при эксплуатации установки
для ФПУ определяем по формуле:
Зслив = Рслив ∙С1с,
(4.125)
где Рслив – расход воды в час, л/час
С1с– стоимость слива в канализацию 1 литра воды, руб.
Стоимость слива в канализацию 1 литра воды определяем по формуле:
С1с=С1сл/1000,
(4.126)
где С1сл–стоимость слива в канализацию 1 м3 воды составляет, руб.
Тариф на слив в канализацию 1 м3 воды составляет 20,20 руб.
С1с=20,20 /1000=0,0202 руб.
Звод = 180 ∙0,0202 =3,64 руб./час.
295
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Зв= 3,13 + 3,64=6,77 руб./час.
лой:
Затраты на электроэнергию определяются в соответствии с форму-
Зэ= Рэ∙ С1э,
(4.127)
где Рэ– потребляемая мощность установкой ФПУ в час, кВт∙ч
С1э– стоимость 1 кВт электроэнергии
В установках для ФПУ потребляемая мощность составляет не более
5 кВт. Тариф на 1 кВт∙ч электроэнергии составляет 2,10 руб.
Зэ=5∙2,10=10,5 руб./час.
Норма годовых амортизационных отчислений составляет 20% от
стоимости оборудования для ФПУ (Ц).
Затраты на амортизационные отчисления на установку для ФПУ
при годовом фонде времени 2064 часов составляют:
Зам=Ц∙0,2/2064 = 194 руб./час
(5.128)
Себестоимость упрочнения составит:
Су = 50+26,1+6,77+10,5+194 = 287,37 руб/ч
За один час работы можно упрочнить 10 плунжерных пар, следовательно, себестоимость одного упрочнения составляет 28,7 руб.
Тогда стоимость переоборудования одного трактора МТЗ-80 составит:
Uп = 1120+1320+630+114,8= 3184,8 руб
Экономический эффект от снижения расхода топлива определялся
по формуле:
Э=(Qсущ-Qэкс)Цдт, руб
(5.129)
где Qсущ – годовой расход топлива существующего трактора, кг;
Qэкс – годовой расход топлива экспериментального трактора, кг;
Цдт – цена дизельного топлива, руб.
Э= (11830-11001,9)·15=12421,5 руб
Срок окупаемости дополнительных капиталовложений рассчитывается по формуле:
Т= Uп /Э = 3184,8/12421,5 = 0,26 года
(5.130)
Полученные результаты представлены в таблице 4.9.
При формировании тонкопленочного покрытия на рабочих поверхностях плунжерных пар, при снижении расхода топлива на 7%, экономическая эффективность составит 12,4 тыс.руб в год при годовой наработке
1000 ч и сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений 0,26
года.
296
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 4.9 – Экономическая эффективность от снижения расхода топлива
Годовая наработка техники, ч
Годовой расход топлива, кг
Дополнительные кап. вложения,
руб
- регулировка ТНВД
- разборка и сборка ТНВД
- транспортные расходы
- стоимость упрочнения
-цена новой детали
Экономический эффект от снижения расхода топлива, руб
Срок окупаемости доп. кап. вложений, год
Существующий
Т
1000
Q 11830
Экспериментальный
1000
11001,9
-
3184,8
800
520
630
114,8
280
-
12421,5
-
0,26
Экономический эффект при восстановлении плунжерных пар достигается за счет использования материала изношенных деталей и восстановления их ресурса.
Годовую экономическую эффективность от внедрения предлагаемой технологии определяли путем сравнения стоимости восстановленной
детали с ценой новой детали.
При этом годовой экономический эффект рассчитывали с учетом
коэффициента дисконтирования, учитывающего изменения покупательной
способности денег и возможности частичного возврата полученного кредита в виде банковских процентов [75], по формуле:

А 
Эг   Ц н  С В  (
)   k d  N Г
N
Г 

(4.131)
где Цн – цена новой детали, руб;
СВ – себестоимость восстановления, руб;
А – амортизация оборудования, руб., принимается равной 15%
от стоимости технологического оборудования;
Nг – годовая производственная программа, шт;
kd –коэффициент дисконтирования;
kd 
1
1  r  i  (r  i) n
(4.132)
где r – ставка дисконтирования, равная процентной ставке банка,
r=0,17;
i – годовой темп инфляции, I =0,08;
n – порядковый номер года, принимаемый равным сроку службы плунжерной пары после восстановления, лет.
Уровень рентабельности инвестиций в разработку технологии определяли как отношение прибыли к затратам на восстановление детали:
297
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 П 
  100
Pi  
 СВ 
(4.133)
где П – годовая балансовая прибыль, руб.
Н 

П  ( Ц н  С В )  k d 1  ( П )   N Г
100 

(4.134)
где НП – налоги с прибыли, составляют 13%.
Срок окупаемости инвестиций, складывающихся из затрат на НИОКР, монтажные работы, оборудование и организацию ремонтного производства К, вычисляли по формуле:
Т ОК 
К
ЭГ
(4.135)
где К – затраты на НИОКР, монтажные работы, оборудование
и организацию производства, руб.
Себестоимость восстановления детали определяли как сумму производственных и внепроизводственных расходов:
С В  С пр  С вн
(4.136)
где Спр – производственные расходы, руб;
Свн – внепроизводственные расходы, руб.
Производственные расходы рассчитывали по выражению:
С пр  СТ  С осв  С м
(4.137)
где СТ – затраты непосредственно на восстановление (технологическая себестоимость), руб;
Сосв – затраты на подготовку и освоение производства, руб;
См – затраты на материалы, руб.,
s
С м  Ц ост   (q i Ц i )
(4.138)
i 1
где Цост – остаточная стоимость изношенной детали, руб;
s – количество наименований материалов, применяемых при
восстановлении деталей;
qi – норма расходов i-го материала, кг;
Цi –цена 1 кг i-го материала, руб./кг.
Остаточная стоимость изношенной детали определялась из соотношения:
Цост =m·Цм ·Кт
(4.139)
где m – масса изношенной детали, кг;
Цм – мена металлолома, руб./кг;
Кт – коэффициент транспортно-заготовительных расходов (К т=1,2).
Расходы на подготовку и освоение производства, приходящиеся на
одну деталь, определяются по формуле:
С осв 
Зосв
t
NГ
298
(4.140)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
руб;
где З осв – абсолютная величина затрат на освоение производства,
t – длительность периода списывания затрат, t = 5 лет [75].
Расчет технологической себестоимости базируется на определении
расходов по каждому элементу и производится по формуле:
СТ  С З  С о  С ос  С к  С пц
(4.141)
где Сз – полная заработная плата, руб;
Со – затраты на эксплуатацию оборудования, руб;
Сос – затраты на эксплуатацию оснастки, руб;
Ск – затраты на содержание производственного здания, руб;
Спц – прочие цеховые расходы, руб.
Внепроизводственные расходы Свн включают в себя расходы на
сбор ремонтного фонда, реализацию готовой продукции, транспортирование, разборочно-сборочные работы и простой техники [130].
Полученные расчетным путем экономические показатели разработанной технологии восстановления плунжерных пар выполнены исходя из
цен на 2010г.
Таблица 4.10 - Технико-экономическая эффективность.
Программа восстановления, шт
2000
Цена новой детали, руб
280
Себестоимость восстановления, руб
45
Балансовая стоимость оборудования, руб
200000
Коэффициент дисконтирования
0,4
Экономический эффект от восстановления, руб
68 000
Срок окупаемости, год
2,9
Дополнительный экономический эффект можно получать при восстановлении работоспособности плунжерных пар комбинированным способам, при годовой программе ремонта 2000 шт плунжерных пар расчетный экономический эффект составит 68 тыс.руб.
299
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ
1. Предложенная общая модель формирования эффективности технологических процессов (ТП) позволяет определить наиболее рациональные
пути решения проблемы совершенствования, эксплуатации и ремонта машин и оборудования сельскохозяйственного производства на всех этапах
их жизненного пути, начиная с разработки, проектирования и заканчивая
совершенствованием и модернизацией ТП в условиях реальной эксплуатации. Основными ресурсосберегающими направлениями в повышении эффективности ТП являются оптимизация выбора машин и оборудования из
перечня выпускаемых отечественных и зарубежных образцов по новым
показателям фактической результативности и обобщѐнному критерию качества, совершенствование энергетических средств машинно-тракторных
агрегатов (МТА) использованием альтернативных видов топлива, совершенствование машин оптимизацией их рабочих органов, повышение надѐжности и долговечности рабочих поверхностей деталей машин (РПДМ),
взаимодействующих с обрабатываемым продуктом и контактирующих
друг с другом в различных посадках.
2. Разработана новая классификация существующих ТП с объединением их в пять групп ключевых процессов. Выделение ТП в соответствующую группу осуществляется по функциональному признаку, который необходимо достичь или получить при реализации этого процесса.
3. Современные технические средства представляются как сложные
технические системы, для которых разработана новая иерархическая схема, низшим элементом которой являются РПДМ, которые формируют и
определяют общую фундаментальную надежность системы. Сами рабочие
поверхности классифицированы на три группы: контактирующие с материалом, контактирующие друг с другом и рабочие поверхности базисных
деталей. На основе этого предложен новый подход к рассмотрению спос обов формирования надежности машин и оборудования, в основе которого
лежит принцип создания необходимых функциональных свойств РПДМ.
4. Процесс изменения состояния РПДМ носит случайный характер и
представляется процессом деградирования параметра, описываемым математическим аппаратом теории надежности с учѐтом характера протекания
процесса изменения параметра и условий эксплуатации. Предложенная математическая модель повышения долговечности соединений учитывает
свойства износостойких покрытий и их изменения в процессе эксплуатации и может использоваться для прогнозирования параметрической надежности трибоэлементов и обеспечения их работоспособного состояния в
соответствии с обобщенной методикой повышения эффективности ТП,
включающей ряд обязательных этапов.
5. Методологический подход к повышению надежность и эффективность МТА при выполнении технологических процессов, за счет создания
300
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
требуемых свойств и долговечности рабочих органов сельскохозяйственных машин, позволил получить следующие решения:
- Анализ процесса вспашки с позиции рассмотрения плуга как
сложной системы, низшим элементом которой в его иерархической схеме являются рабочие поверхности плужного лемеха, как наиболее изнашивающейся детали, позволил определить целевое назначение поверхностей плужного лемеха с точки зрения надежности реализации технологического процесса вспашки. Уточнена математическая модель общего сопротивления лемеха при затупленном лезвии и установлены основные факторы, влияющие на его ресурс.
- Предложена методика оценки эффективности использования
различных вариантов лемехов, которая учитывает кратность увеличения
ресурса и стоимости лемеха, зависящие от способа увеличения износостойкости лезвия, а также дополнительные затраты, связанные с увеличенным расходом топлива и снижением надежности процесса вспашки
из-за работы затупленными рабочими органами, превысивших предельное значение критериального показателя.
- Результаты проведенных исследований наплавленных слоев с различным содержанием легирующих элементов позволили определить, что
оптимальное содержание бора и марганца составляет 2…4 % и 1…3 % соответственно в зависимости от химического состава чугунной стружки.
Обработка результатов многофакторного эксперимента показала, что относительная износостойкость у образцов № 3,4 и 5 в 4…6 раз выше, у образца № 6 в среднем в 14 раз выше по сравнению с серийным лемехом
(образец № 1), а у лемеха ПЛЖ-31702 (образец № 2) в 2 раза выше, чем у
образца № 1. Результаты исследования влияния износа лемехов на глубину
обработки пахотного агрегата показали, что использование лемехов, достигших предельного значения затылочной фаски приводит к нарушению
агротребований и увеличению расхода топлива на 11 %.
- Сравнительная оценка показала, что несмотря на высокий ресурс
лемехов фирмы «VOGEL&NOOT», который составил 52,1га, наиболее
предпочтительными являются лемеха, наплавленные порошком на основе
чугуна легированного бором и марганцем в оптимальном соотношении,
средний ресурс которых 24,7 га, но технико-экономический показатель
на их эксплуатацию составил 276 руб/га, что на 25 % ниже показателя
лемеха фирмы «VOGEL&NOOT».
- Результаты технико-экономических расчетов показали, что использование плужных лемехов, наплавленных порошком на основе чугуна,
при повышении его стоимости в 1,46 раза за счет дополнительных затрат на
упрочнение в размере 147,22 руб/шт, позволяет снизить удельные затраты
на выполнение заданного объема работ на 58 %, при сроке окупаемости 0,73
года.
6. Методологический подход к повышению надежность и эффективность МТА при выполнении технологических процессов, за счет исполь301
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зования
альтернативного топлива, позволил получить следующие решения:
- Предложена математическая модель повышения эффективности использования МТА при выполнении технологических процессов почвообработки, которая учитывает взаимосвязь эксплуатационных режимов
работы агрегатов и процессов, протекающих в битопливной системе двигателей газодизельных тракторов после их модернизации.
- Обоснованы закономерности регулирования теплотворности смеси и подачи топлив, как совокупности фазовых состояний режимных
точек работы двигателя, обеспечивающих повышение эффективности технологических процессов за счет формирования максимальных значений
эффективного КПД газодизеля и коэффициента замены топлива.
- Разработана и изготовлена тракторная газодизельная система,
выполняющая заданные закономерности регулирования теплотворности
смесии подачи топлив, обеспечивающая повышение эффективности технологических процессов, за счет снижения топливных составляющих эксплуатационных затрат. Научная новизна технических решений, использованных в этой конструкции, подтверждена патентами на изобретение
№2308604, №2362026 и полезную модель №55881. Газодизельный трактор К-701, оснащенный этой системой успешно прошел Государственные
приемочные испытания, по результатам которых МИС рекомендовано переоборудование опытной партии таких тракторов.
- Экспериментально подтверждено повышение эффективного КПД
двигателя, выразившееся в снижении удельного расхода топлива с 252
г/кВт·ч в дизельном режиме до 224 г/кВт·ч в газодизельном. Это обеспечило снижение общего часового расхода топлива в точке номинальной
мощности с 51,4 кг/ч дизельного режима до 44,5 кг/ч на газодизельной
смеси, при этом коэффициент замены топлива составил Кзт=72%.
- Испытания экспериментального трактора К-701 показали, что
предложенная газодизельная система обеспечивает формирование необходимых эксплуатационных значений крутящего момента, которые на полном режиме корректорной ветви скоростной характеристики двигателя
ЯМЗ-240Б достигают значения 1206 Н·м. Это способствует повышению
производительности агрегатов при выполнении технологических процессов, за счет преодоления кратковременных перегрузок двигателя без переключения передач.
- Экспериментально доказано повышение эффективности энергозависимых технологических процессов почвообработки, выполняемых трактором К-701, оборудованного усовершенствованной газодизельной системой, при равных показателях производительности и качества работ. В
сравнении с дизельным аналогом, снижение удельных затрат на топливо
на энергоемких операциях вспашки и чизелевания составило 205...210
руб/га, или 31...39%. Эффект ресурсосбережения подтверждает и МИС, по
данным которой это снижение составляет 43...47%.
302
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. Методологический подход к повышению надежность и эффективность МТА при выполнении технологических процессов, за счет решения
проблемы технического состояния деталей топливной аппаратуры, позволил получить следующие решения:
- Представляя ТНВД как сложную техническую систему, низшими
элементами которой являются рабочие поверхности деталей плунжерных
пар, установлено их влияние на повышение работоспособности ТНВД.
- Получена теоретическая зависимость снижения интенсивности
нарастания зазора в сопряжении плунжерной пары как основного показателя, влияющего на их гидравлическую плотность.
- Разработана теоретическая модель повышения долговечности
плунжерных пар, путем формирования тонкопленочных покрытий на их
рабочих поверхностях.
- На основе разработанного комбинированного способа восстановления и упрочнения рабочих поверхностей плунжерных пар предложены
пути повышения их работоспособности.
- Обоснованы режимы формирования покрытий на рабочих поверхностях плунжерных пар комбинированным способом при ремонте.
- Получена теоретическая зависимость снижения общего расхода
топлива дизельных энергосредств, учитывающая режимы работы двигателя в процессе эксплуатации, а так же неравномерность топливоподачи.
- Исследования физико-механических свойств покрытий плунжерных пар по разработанной технологии показывают, что среднее значение
твердости поверхностного слоя наносимого электроискровой установкой
составило HRV=5110МПа, после применения безабразивной ультразвуковой финишной обработки среднее значение твердости составляет
HRV=8423МПа, использование технологии ФПУ позволяет обеспечить
микротвердость рабочей поверхности плунжерных пар не менее 13000
МПа.
- Исследования плунжерных пар поступающих в качестве запасных
частей показали, что у 86% новых деталей гидравлическая плотность не
превышает t =45,7 c, при среднем значении  =43,4 c, что свидетельствует
о повышенном зазоре.
- Нанесение тонкопленочных покрытий на рабочие поверхности новых плунжерных пар, изменяет гидравлическую плотность таким образом,
что 82% экспериментальных плунжерных пар имеют гидравлическую
плотность, превышающую t =45,7с со средним значением =46,7c. Стендовые испытания подтвердили исключение схватывания контактирующих
поверхностей и обеспечение стабильной работы.
- Проведение многофакторного эксперимента показало, что скорость изнашивания пары трения (С) с тонкопленочным покрытием обоих
образцов, в сравнении со скоростью изнашивания пар трения (А) и (В) соответственно в 9 и 5 раз ниже. С изменением скорости относительного перемещения в пределе 0,5…2 м/с при давлении Р=20МПа, Р=70МПа и
303
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Р=120МПа увеличение износостойкости пары трения «С» относительно
пары трения «А» составило с 8,31 до 9,66 раза, с 9,54 до 10,81 раза и с
10,65 до 11,49 раза соответственно
- Стендовые испытания показали, что при наработке 1600 мото-ч,
при номинальной частоте вращения цикловая подача топлива заводских
плунжерных пар снизилась на 2,8%, а у экспериментальных снижение топливоподачи составило 1,3%, при снижении частоты вращения кулачкового
вала до 800 мин-1, снижение цикловой подачи составило 5,5% и 1,8% соответственно. При частоте вращения кулачкового вала 500 мин -1, снижение
топливоподачи экспериментальных плунжерных пар составило 4,9%, а у заводских 9,3%.
- Сравнительная оценка расхода топлива была проведена по показателю относительного эффекта снижения расхода топлива, при положении
рейки L=0 мм, L=2 мм, L=4 мм и L=6 мм расход дизельного топлива двигателем, оборудованным стандартными плунжерными парами на 11...23%
соответственно больше расхода топлива при тех же условиях, но с упрочненными плунжерными парами.
- Экспериментально подтверждена математическая модель формирования ресурса плунжерных пар имеющих тонкопленочное покрытие, по
уточненным экспериментальным данным ресурс заводских плунжерных пар
составляет 2500…4000 ч, а экспериментальных 6000…9000ч. Таким образом, формирование тонкопленочных износостойких покрытий на рабочих
поверхностях плунжерных пар обеспечивает повышение ресурса в 2,25…
2,4 раза.
- При формировании тонкопленочного покрытия на рабочих поверхностях плунжерных пар, при снижении расхода топлива на 7%, экономическая эффективность составит 12,4 тыс.руб в год при годовой наработке 1000 ч и сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений 0,26 года. Расчетный экономический эффект восстановленных плунжерных пар комбинированным способом, составляет 68 тыс.руб. при производственной программе 2000 штук в год.
304
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛИТЕРАТУРА
1.
Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий [Текст]/ Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.Б. Грановский
[Текст]. – М: Наука, 1976. – 279с.
2.
Алексеев, А.В. Электроупрочнение инструмента/ А.В. Алексеев, Л.Я. Попилов. - М.: Машгиз, 1951. – С.69.
3.
Андреев, В.И. Электроискровое упрочнение деталей/ В.И. Андреев, Н.И. Беда, Б.И. Гинзбург. - Машиностроитель, 1976, №10,
С.22…23.
4.
Анискин, В.И. Внедрение в сельскохозяйственное производство техники, работающей на компримированном природном газе
[Текст] / В.И. Анискин // Автогазозаправочный комплекс + альтернативное
топливо.- 2005.- № 1(19).- 84 с.
5.
Антипов, В.В. Анализ утечек топлива в плунжерных парах
и пути повышения их работоспособности/ В.В. Антипов // Тракторы
и сельхозмашины. - 1969. - № 5.
6.
Антипов, В.В. Износ прецизионных деталей и нарушение характеристики топливной аппаратуры дизелей/ В.В. Антипов. - М.: Машиностроение, 1965. – С.131.
7.
Антипов, В.В. Износ прецизионных деталей и нарушение
характеристики топливной аппаратуры дизелей. / В.В. Антипов - М.:
Машиностроение, 1972. -177 с.
8.
Антипов, В. В. Износ прецизионных деталей и нарушение
характеристик топливной аппаратуры дизелей / В. В. Антипов. - М.:
Машиностроение, 1974.- С.184.
9.
Артемьев, Ю.Н. Качество ремонта и надежность машин в
сельском хозяйстве/ Ю.Н. Артемьев. - М.: Колос, 1981. – С.239.
10.
Архангельский, В.М. Работа автотракторных двигателей на неустановившихся режимах. [Текст] / В.М. Архангельский, Г.Н. Злотин - М.:
Машиностроение, 1979. - 215 с.
11.
Астахов, И.В. Топливные системы и экономичность дизелей
[Текст] / И.В. Астахов, Л.Н.Голубков.- М.: Машиностроение. 1990. – 288 с.
12.
Ачкасов, К.А. Восстановление и упрочнение топливной
аппаратуры термодиффузионной металлизацией/ К.А. Ач касов, В.Н.
Бугаев, Ю.В. Мазаев и др. - М.: МИИСП, 1981. – С.7.
13.
Багдасаров, И.Г. Газовый двигатель для автобусов «Икарус»
[Текст] / И.Г. Багдасаров, Г.С. Савельев // Автогазозаправочный комплекс
+ альтернативное топливо.- 2003.- № 2 (8).- 84 с.
14.
Байкин, С.В. Улучшение очистки дизельного топлива в
системе питания сельскохозяйственных тракторов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Саратов; СИМСХ, 1987, 15 с.
305
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15.
Батыров, В.И. Оптимизация параметров топливоподачи с
учетом характера протекания рабочего процесса дизелей сельскохозяйственного назначения : диссертация … к-та. тех. Наук. – Нальчик,
- 2003. – С.113.
16.
Бахтиаров, Н.И. Повышение надежности работы прецизионных
пар топливной аппаратуры дизелей/ Н.И. Бахтиаров, В.Е. Логинов, Н.И.
Лихачев. – М.: Машиностроение, 1972. – С.286.
17.
Баширов, Р.М. Надѐжность топливной аппаратуры тракторных и комбайновых дизелей / Р. М. Баширов, В.Г. Кислов. — М.:
Машиностроение, 1978. -180 с.
18.
Башта, Т.М. Машиностроительная гидравлика/ Т.М. Башта. - М.: Машиностроение, 1971. – С.670.
19.
Бебенин, Е.В. Совершенствование топливной системы тракторных дизелей для работы по газодизельному циклу. Автореф. дисс. канд.
техн. наук: 05.20.01, 05.20.03 [Текст] / Е.В. Бебенин Саратов.: СГАУ им.
Н.И. Вавилова. – 2009. – 23 с.
20.
Белявцев, А. В. Топливная аппаратура автотракторных дизелей / А. В. Белявцев, А. С. Процеров. - М.: Росагропромиздат, 1988.
– С.223.
21.
Бененсон, А.Б. О влиянии геометрических параметров зазора на гидроплотность цилиндрического сопряжения/ А.Б. Бененсон,
М.В. Кисин, А.В. Королев. - Л.: Труды ЦНИТА, 1985. - №86. - С.180185.
22.
Бернштейн, Д.Б. Лемехи плугов. Анализ конструкций, условий
изнашивания и применения материалов текст [Текст] / Д.Б. Бернштейн,
И.В.Лискин // Сельскохозяйственные машины и орудия. – 1992. – № 3. – c.
35–38.
23.
Бетеней, Г.Ф. Рекомендации по упрочнению и восстановлению
почворежущих элементов наплавкой намораживанием [Текст] / Г.Ф. Бетеней, Н.В. Кардат, И.А. Огородников. – М.: ГОСНИТИ, 1991. – 28 с.
24.
Бобров, В.Ф. Экспериментальное исследование утечек топлива в плунжерных парах топливного насоса/ В.Ф. Бобров. Труды
ХИИЖТ, 1963. - №68. - С.63-66.
25.
Богомягких, В.А. К определению скорости и зоны распространения деформаций в почве при перемещении в ней плоского д еформатора [Текст] / В.А. Богомягких, В.А. Лаврухин // Механизация
и электрификация сельскохозяйственного производства. –1973. Зерноград, c. 15–17.
26.
Богомягких, В.А. Способ образования и укладки фракций
почвы и устройство для его осуществления [Текст] / В.А. Богомягких
// Теория и проектирование сельскохозяйственных машин и обор удования. – 2004. – № 7.– с. 45–49.
27.
Бородский, В.З. Введение в факторное планирование эксперимента [Текст] / В.З. Бородский. – М.: Наука, 1976. – 220 с.
306
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
28.
Будко, С.И. Методы повышения эффективности упрочнения деталей лемешно–отвальных плугов дуговой наплавкой твердыми сплавами [Текст] : дис. ... канд. техн. наук / С.И. Будко. – Брянск,
2009. – 139 с.
29.
Бугаев, B.H. Восстановление деталей и повышение ресурса топливной аппаратуры тракторных и автомобильных дизелей термодиффузионной металлизацией: Дис. д -ра техн. наук. - М.: МИИСП,
1987. - 289 с.
30.
Булычева, З.Ю. Дизель и газодизель, соревнование равных
[Текст] / З.Ю. Булычева, А.Н. Семенихин, М.Г. Соколов // Автомобильная промышленность.- 1992.- № 2. - С. 13-14.
31.
Бурцев, В.А. Перспективные микропроцессорные системы
управления рабочим процессом газовых двигателей и их компоненты
[Текст] / В.А. Бурцев // Газовая промышленность. Научно – технический сборник. - 1999. - № 7-9. - 39 с.
32.
Бурумкулов, Ф.Х. Нанесение слоя металла на поверхности
детали искровым электрическим разрядом/ Ф.Х. Бурумкулов, С.А.
Величко, П.А. Ионов // Современные технологии, средства механиз ации и технического обслуживания в АПК. Сборник научных трудов
всероссийской научно -технической конференции. - Саранск: Красный Октябрь, 2002. - С.223…236.
33.
Бурумкулов, Ф.Х. Электроискровые технологии восстановления и упрочнения деталей машин и инструментов (теория и
практика)/ Ф.Х. Бурумкулов, П.П. Лезин, П.В. Сенин, В.И. Иванов,
С.А. Величко, П.А. Ионов. – Саранск: Красный Октябрь, 2003. С.504.
34.
Бурумкулов, Ф.Х. Электроискровая обработка металлов –
универсальный способ восстановления изношенных деталей/ Ф.Х.
Бурумкулов, В.П. Лялякин, И.А. Пушкин, С.Н. Фролов. // Механиз ация и электрификация сельского хоз яйства. - 2001. - №4. - С.23…28.
35.
Бурумкулов, Ф.X. Повышение межремонтного ресурса агрегатов с использованием наноэлектротехнологий./ Ф.X. Бурумкулов,
, В.П. Лялякин, Д.А Галин // Техника в сельск. хоз -ве. — № 3. —
2007. — С.8-13.
36.
Бутовский, М.Э. Нанесение покрытий и упрочнение материалов концентрированными потоками энергии/ М.Э. Бутовский
//Оборудование для электроискрового легирования . - М.: ИКФ «Каталог», 1998 - С.158.
37.
Ваншейдт, В.А. Дизели [Текст] / В.А. Ваншейдт, Б.П.
Байков, И.П.Воронов и др. - Л.: Машиностроение, 1977. - 480 с.
38.
Васильев, Ю.Н. Газовые и газодизельные двигатели
[Текст] / Ю.Н. Васильев, Л.С. Золотаревский, С.И. Ксенофонтов. М.: РАО «Газпром», 1992. – 127 с.
307
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
39.
Величко, С.А. Восстановление и упрочнение электроискровой наплавкой изношенных отверстий чугунных корпусов гидрораспределителей (на примере корпуса гидрорасределителя Р -75). Автореф. дисс. канд. тех. наук. - Саранск, 2000 -16с.
40.
Верхотуров, А.Д. Технология электроискрового легирования металлических поверхностей/ А.Д. Верхотуров, И.М. Муха. Киев: Технiка, 1982. – С.181.
41.
Вибе, И.И. Новое о рабочем цикле двигателя [Текст] / И.И.
Вибе. – М.: Машгиз., 1962. – 271 с.
42.
Виноградов, В.Н. Механическое изнашивание сталей и
сплавов [Текст] / В.Н. Виноградов, Г.М. Сорокин. – М.: Недра, 1996.
– 364 с.
43.
Виноградов, В.И. Исследование работы зубчатых лемехов
[Текст] / В.И.Виноградов // Повышение долговечности рабочих деталей
почвообрабатывающих машин. – М., 1960. – с. 62–79.
44.
Виноградов, В.И. Распределение нормальных давлений на поверхности плоского клина при обработке почвы на повышенных скоростях
[Текст] / В.И.Виноградов, М.Д.Подскрепко // Сб. «Усовершенствование
почвообрабатывающих машин». М.: НТС ВИСХОМ, 1967. – с.76–78.
45.
Виноградов, В.И. Сопротивление рабочих органов лемешного
плуга и методы снижения энергоемкости пахоты [Текст] : автореф. дис. …
док. техн. наук / В.И. Виноградов. − Москва, 1969. – 59 с.
46.
Виноградов, Л.В. Применение газовых топлив в двигателях
внутреннего сгорания [Текст] / Л.В., Виноградов, В.В. Горбунов, Н.Н.
Патрахальцев и др. - М.: ООО ИРЦ Газпром, 1996. – 198 с.
47.
Винокуров, В.Н. Влияние износа плужных лемехов на тяговое
сопротивление [Текст] / В.Н. Винокуров // Тракторы и сельскохозяйственные машины. − 1978. − № 5. − с. 18−21.
48.
Винокуров, В.Н. Исследование изнашивания рабочих органов культиваторов и обоснование параметров, обеспечивающих их самозатачивание [Текст] / В.Н.Винокуров // Научн. труды ГОСНИТИ, т.2, БТИ
ГОСНИТИ. −1963. − с. 33−34.
49.
Винокуров, В.Н. Определение выбраковочных параметров режущих элементов рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий [Текст] / В.Н.Винокуров, А.К.Малов, В.В. Конаков // Тракторы и сельхозмашины. − 1976. − № 10. − с. 23−25.
50.
Вишняков, Д.Я. Методика лабораторного испытания сплавов на абразивный износ [Текст] / Д.Я. Вишняков, А.Г. Виницкий //
Заводская лаборатория. – 1957. – №1. – с. 67.
51.
Власов, П.А. Влияние температурных условий на показатели работы топливных насосов/ П.А. Власов // Повышение надежности и долговечности деталей тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин и методы их ремонта. - Саратов, 1976. С.74…84.
308
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
52.
Володин, В.М. Использование газа в качестве топлива для
тракторов [Текст] / В.М.Володин, П.Д.Лупачев, В.В. Карницкий. М.: ЦНИИТЭ Итракторосельхозмаш, 1989. – 28 с.
53.
Воронцов, Ю.Н. Зависимость гидравлической плотности
от зазора между плунжером и втулкой/ Ю.Н. Воронцов, Б.А. Крук //
Автомобильная промышленность. - 1960, № 1. - С.33-35.
54.
Габитов, И.И. Улучшение эксплуатационных показателей
топливной аппаратуры сельскохозяйственных дизелей путем научного обоснования и реализации в ремонтном производстве технолог ических процессов, методов и средств диагностирования: дис. … докт.
тех. наук. - СПб, 2001. - 320 с.
55.
Габитов, ИИ. Топливная аппаратура автотракторных двигателей / И.И. Габитов, А.В. Неговора. - Уфа: БашГАУ, 2004. - 172 с.
56.
Гайворонский, А.И. Использование природного г аза и других альтернативных топлив в дизельных двигателях
[Текст] / А.И. Гайворонский, В.А Марков, Ю.В. Илатовский.
– М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. – 480 с.
57.
Гайнуллин, Ф.Г. Природный газ как моторное топливо на
тракторе [Текст] / Ф.Г. Гайнуллин, А.И. Гриценко, Ю.Н. Васильев и
др. – М.: Недра, 1986. – 255 с.
58.
Гаркунов, Д.Н. Триботехника (конструирование, изгото вление и эксплуатация машин): Учебник. — 5-е изд., перераб. и доп.
— М.: «Издательство МСХА», 2002. - 632 с.
59.
Генкин, К.И.
Газовые двигатели [Текст] / К.И.
Генкин. –
М.: Машиностроение, 1977. – 193 с.
60.
Гольтяпин, В.Я. Использование природного газа в качес тве моторного топлива в энергетических средствах сельскохозяйс твенного назначения [Текст] / В.Я. Гольтяпин. – М.:ФГНУ «Росинформагротех», 2005. – 40
61.
Говорушенко, Н.Я. Диагностика технического состояния
автомобилей/ Н.Я. Говорушенко. - М.: Транспорт, 1970. – С.254.
62.
Горячев, С. Н. Восстановление плунжерных пар топливных насосов распределительного типа НД при ремонте дизелей : дис.
канд. техн. наук / Горячев Сергей Николаевич. Саратов, 1989. –
С.158.
63.
Горячкин, В. П. Собрание сочинений [Текст]: В 3–х т. Т. 3 /
В.П. Горячкин. – М.: Колос, 1968. – 384 с.
64.
ГОСТ 17562-72. Надежность изделий машиностроения.
Система сбора и обработки информации. Требования к содержанию
форм учета наработок, повреждений и отказов.
65.
ГОСТ 18509-88 - Дизели тракторные и комбайновые. Методы
стендовых испытаний [Текст].
М.: Государственныйкомитет
СССР по стандартам. - 1988. – 70 с.
309
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
66.
ГОСТ 23728-88 Техника сельскохозяйственная. Основные положения и показатели экономической оценки [Текст]. - М.: Государственный комитет СССР по стандартам. - 1988. – 18 с.
67.
ГОСТ 23729-88 Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки специализированных машин [Текст] - М.: Государственный комитет СССР по стандартам. - 1988. – 15 с.
68.
ГОСТ 23730-88 Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки универсальных машин и технологических комплексов
[Текст] - М.: Государственный комитет СССР по стандартам. - 1988. - 30 с.
69.
ГОСТ Р 50694 – 94. Типы лемехов [Текст]. – М. : Изд–во
стандартов, 1994. – 14 с.
70.
Грехов, Л.В. Научные основы разработки систем топливоподачи в цилиндры двигателей внутреннего сгорания. Автор еферат дисс. д.т.н. [Текст] / Грехов Л.В. - М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 1999. - 32 с.
71.
Грехов, Л.В. Топливная аппаратура с электронным управлением дизелей и двигателей с непосредственным впрыском бензина.
Учебно - практическое пособие [Т екст] / Л.В. Грехов. – М.: Легион
Автодата, 2000. – 176 с.
72.
Гуревич, Д.Ф. К теории износа плунжерных пар / Д. Ф.
Гуревич // Автомобильная промышленность. - 1958. - №10. - С.
26…28.
73.
Гусев, В.Г. Эффективность использования природного г аза в качестве моторного топлива в сельскохозяйственном производстве [Текст] / В.Г. Гусев // Агробизнес и пищевая промышленность. 2006. - № 4(70). – 48 с.
74.
Дитякин, Ю.Ф. О гидравлической плотности прецизионных пар впрыскивающей аппаратуры тракторного двигателя/ Ю.Ф.
Дитякин //Вестник сельскохозяйственной науки. - №.З. – 1940. –
С.17…19.
75.
Долганов, К.Е. Исследование топливной экономичности и
токсичности отработавших газов газодизеля [Текст] / К.Е. Долганов,
В.С. Вербовский, С.А. Ковалев и др. // Двигателестроение. - 1991.-№
8-9. – С. 6 - 9.
76.
Долганов, М.С. Выбор метода испытаний плунжерных
пар/ М.С. Долганов, А.А. Мылов //Экспресс -информация ЦНИИТЭИ
. - №4. - 1986. - С.5…6.
77.
Ерохин, М.Н. Выбор марки стали для лемеха плуга текст
[Текст] / М.Н. Ерохин, B.C. Новиков, Д.А. Сабуркин // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2008. – № 1. – с. 5–8.
78.
Ерохин, М.Н. О совершенствовании конструктивных параметров рабочих органов плуга текст [Текст] / М.Н. Ерохин, B.C. Новиков //
Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. – 2005. – № 1. – с. 25–31.
310
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
79.
Ерохин, М.Н. Инженерные методы оценки и контроля надежности сельскохозяйственной техники [Текст]: монография / М.Н.
Ерохин,
Р.С. Судаков. – М. : МСХА, 1991. – 67 с.
80.
Ерохин, М.Н. Новые технологии упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин [Текст] / М.Н.Ерохин,
В.С.Новиков, М.Н.Лобанов. – Мелитополь, 2001. – с. 98–103.
81.
Ерохин, М.Н. Повышение прочности и износостойкости лемеха плуга [Текст] / М.Н.Ерохин, В.С.Новиков// Вестник ФГОУ ВПО МГАУ.
–2008. – № 2. – с. 10–22.
82.
Ерохов, В.И.. Газодизельные автомобили (конструкция, расчет,
эксплуатация). Учебное пособие [Текст] / В.И. Ерохов, А.Л. Карунин. - М.
Граф-пресс, 2005. – 560 с.
83.
Жалнин, Э.В. Аксиоматизация земледельческой механики
[Текст] / Э.В. Жалнин. – М.: ВИМ, 2002 – 203 с.
84.
Ждановский, Н.С. Надежность и долговечность автотракторных двигателей/ Н.С. Ждановский, А.В. Николаенко. - Л.: Колос, 1981. –
С.295.
85.
Жильцов, С.Н. Влияние поверхностно -активных веществ
на физико-механические свойства поверхностей трения / С.Н. Жильцов // Актуальные проблемы сельскохозяйственной науки и образования: сборник научных трудов II Международной научно практической конференции. – Самара, 2005. – С.18…20.
86.
Жильцов, С.Н. Повышение послеремонтпого ресурса агрегатов топливной аппаратуры тракторных дизелей применением при
обкатке смазочных композиций: Дис. канд. технич. наук / С.Н.
Жильцов. Самара, 2004. – С.148.
87.
Загородских, Б.П. Повышение надежности топливной аппаратуры путем применения металлоплакирующих присадок / Б.П.
Загородских, Л.И. Рубенштейн // Тез. докл. зон. кон ференции «Повышение надежности триботехническими методами» / Пенз. полит.
ин-т – Пенза, 1988. – С.65…66.
88.
Загородских, Б. П. Ремонт и регулирование топливной а ппаратуры автотракторных и комбайновых двигателей / Б. П. Загоро дских, В. В. Хатько. - М.: Россельхозиздат, 1986. – С.142.
89.
Зангиев, А.А. Практикум по эксплуатации машинно тракторного парка [Текст] / А.А. Зангиев, А.Н. Скороходов. – М.:
«КолосС», 2006. – 317 с.
90.
Зацаринин, А.А. Повышение ресурса трапецеидальных
лемехов плугов общего назначения [Текст] : дис. ... канд. техн. наук /
А.А.Зацаринин. – Москва, 2006. – с 122.
91.
Зеленин, А.Н. Основы разрушения грунтов механическими
способами [Текст] / А.Н.Зеленин. – М.: Машиностроение, 1968. –
376 с.
311
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
92.
Зеленин, А.Н. Физические основы теории резания грун тов
[Текст] / А.Н.Зеленин. – М.: Машиностроение, 1950. – 354 с.
93.
Зеленин, А.Н. Машины для земляных работ грунтов
[Текст] / А.Н.Зеленин, В.И. Баловнев, И.П.Керров. - М.: Машиностроение, 1975.-422 с.
94.
Зорин, В.А. Основы работоспособности технических систем [Текст] / В.А. Зорин. – М.: ООО «Магистр–Пресс», 2005. – 536 с.
95.
Зубчетов, Н. П. Исследование насосов распределительного
типа / Н. П. Зубчетов // Тр. НАТИ. М.: 1960. - С. 23-28.
96.
Зуев, В. М. Термическая обработка металлов [Текст] / В.
М. Зуев. – М.: «Высшая школа», 2001. – 288 с.
97.
Иванов, Г.П. Технология электроискрового упрочнения
инструментов и деталей машин/ Г.П. Иванов. - М.: Машгиз, 1961. –
С.304.
98.
Измайлов, А.Ю. Рекомендации по использованию компримированного природного газа в качестве моторного топлива для
транспортно – энергетических средств сельскохозяйственного назн ачения [Текст] / А.Ю. Измайлов, В.Н. Потапов, Л.С. Орсик. - М.:
«Издательство ВИМ», 2006. – 103 с.
99.
Икрамов, У. А. Расчет абразивного износа сопряжения
плунжер -втулка топливоподающей аппаратуры дизелей / У. А. Икрамов, М. И. Ташкулатов, К. X. Махкамов // Проблемы трения и изнашивания. 1980. - № 17.- С.75…78.
100. Инженерия поверхности деталей / А. Г. Суслов [и др.] ;
под ред. А. Г. Суслова. - М. : Машиностроение , 2008. - 320 с.
101. Ионов, П.А. Выбор оптимальных режимов восстановления
изношенных деталей электроискровой наплавкой: (на примере золо тника гидрораспределителя Р -75). Автореф. дисс. канд. тех. наук. - Саранск, 1999 -16с.
102. Иофинов С.А. Справочник по эксплуатации машинно тракторного парка [Текст]/ С.А. Иофинов, Э.П. Бабенко, Ю.А. Зуев. М.: Агопромиздат, 1985. – 271 с.
103. Искольский, И.И. Наплавочные боридные твердые сплавы
[Текст] / И.И. Искольский – М.: Машиностраитель. 1965. – 35 с.
104. Итинская, Н.И. Топливо, смазочные матер иалы и технические жидкости / Н.И. Итинская. М.: Колос, 1974. – С.352.
105. Итинская, Н.И. Справочник по топливу, маслам и техническим жидкостям / Н.И. Итинская, Н.А. Кузнецов. М.: Колос, 1982.
– С.208.
106. Калячкин, И.Н. Причины загрязненности дизельного топлива водой и механическими примесями на нефтескладах сельскохозяйственных предприятий / И.Н. Калячкин // Повышение эффективности использования автотракторной и сельскохозяйственной техн и312
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ки: Межву