Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР “ІНСТИТУТ МЕХАНІЗАЦІЇ ТА ЕЛЕКТРИФІКАЦІЇ СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА” УКРАЇНСЬКОЇ АКАДЕМІЇ АГРАРНИХ НАУК

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

УДК 631.356.2.004.67:62-192

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ ЕКСЦЕНТРИКОВОГО МЕХАНІЗМУ ВІБРОКОПАЧІВ БУРЯКОЗБИРАЛЬНИХ МАШИН ЗМІЦНЕННЯМ ПРИ ВИГОТОВЛЕННІ І РЕМОНТІ

ФАСТОВЕЦЬ ПАВЛО

МИКОЛАЙОВИЧ

Глеваха - 2009

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Національному науковому центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент Української академії аграрних наук Молодик Микола Володимирович, Національний науковий центр “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” УААН, заступник директора з наукової роботи.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент Української академії аграрних наук Булгаков Володимир Михайлович, Українська академія аграрних наук, академік-секретар Відділення механізації і електрифікації;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Роговський Іван Леонідович, Національний університет біоресурсів і природокористування України, доцент кафедри сільськогосподарського машинобудування.

Захист відбудеться “4” березня 2009 року о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.27.358.01 в Національному науковому центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” за адресою: 08631, Київська обл., Васильківський р-н, смт. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кімн. 613.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного наукового центру “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” за адресою: 08631, Київська обл., Васильківський р-н, смт. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кімн.205.

Автореферат розісланий “ 3 ” лютого 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради С.П. Москаленко

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Технологічний процес збирання цукрових буряків є одним з найбільш енергомістких в сільськогосподарському виробництві. Для зменшення енергомісткості цього процесу останнім часом у вітчизняних і зарубіжних бурякозбиральних машинах використовують лемішні віброкопачі. Примусова вібрація викопуючих робочих органів частіше здійснюється через ексцентриковий механізм і надійність його роботи в значній мірі визначає ресурс всього викопуючого агрегату, який є недостатнім.

Прогнозувати і підвищувати надійність ексцентрикового механізму, і зокрема його довговічність, в умовах виробничої експлуатації можна на основі встановлення закономірностей зношування з'єднань та розроблення технічних рішень щодо підвищення зносостійкості контактуючих поверхонь.

Ця задача є актуальною не тільки для нових машин, а також для тих, які вже експлуатуються в господарствах і періодично ремонтуються. У зв'язку з цим проблема підвищення доремонтного ресурсу ексцентрикового механізму і, відповідно, довговічності відремонтованих машин з лемішними віброкопачами шляхом використання нових ресурсоощадних технічних рішень для зміцнення нових і відновлених деталей є актуальною науковою задачею економіки АПК.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з планами науково-дослідних робіт ННЦ "ІМЕСГ" за темою "Дослідити дефекти, обґрунтувати номенклатуру та розробити ресурсоощадні технологічні процеси відновлення деталей нової вітчизняної та імпортної сільськогосподарської техніки із застосуванням зварювання, наплавлення та пластичного деформування, підготувати пропозиції щодо підвищення ресурсу деталей" (держ. реєстр. № 0102U000240) та за темою “Розробити технологічні основи підвищення надійності вузлів і деталей нової і відремонтованої сільськогосподарської техніки на підставі встановлення закономірностей їх зношування і втрати працездатності” (держ. реєстр. № 0106U011562).

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення довговічності і прогнозування ресурсу ексцентрикового механізму віброкопачів бурякозбиральних машин застосуванням нових технологічних рішень в процесі виготовлення та ремонту.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- дослідити експлуатаційну безвідмовність, довговічність і ремонтопридатність викопуючих агрегатів бурякозбиральних машин з лемішними віброкопачами і виявити найменш довговічні вузли і з'єднання;

- встановити закономірності зношування найменш довговічних з'єднань і розробити методику прогнозування ресурсу ексцентрикового механізму;

- провести експериментальні дослідження зносостійкості нерухомих з'єднань, оцінити трибологічні властивості контактуючих поверхонь та визначити ресурс шпонкових з'єднань в ексцентриковому механізмі із врахуванням діючих сил, які виникають в процесі викопування коренеплодів;

- дослідити процеси зміцнення зношених поверхонь валів із шпонковими пазами наплавленням тріщиностійкого вуглецевого сталевого шару;

- розробити і впровадити технологію підвищення ресурсу ексцентрикового механізму і оцінити її економічну ефективність.

Об'єкт досліджень - процес втрати працездатності ексцентрикового механізму у викопуючих агрегатах бурякозбиральних машин з лемішними віброкопачами в результаті зношування шпонкових з'єднань.

Предмет досліджень - закономірності зношування контактуючих поверхонь в нерухомих з'єднаннях ексцентрикового механізму агрегатів з лемішними віброкопачами та методи прогнозування і підвищення їх ресурсу при виготовленні та ремонті.

Методи досліджень. В теоретичних дослідженнях використовували елементи теорії експлуатаційної надійності машин, теорії тертя та зношування, теорії диференціальних рівнянь, теоретичної механіки та матеріалознавства, а також математичні методи інтерполяції, екстраполяції, інтегрування та ітерацій.

Експериментальні дослідження виконували із використанням статистичних методів обробки емпіричних даних, багатофакторного планування експериментів, металографічних методів досліджень, магнітопорошкового контролю поверхневих дефектів деталей.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше отримано математичні залежності для визначення показників безвідмовності машин з лемішними віброкопачами і довговічності ексцентрикового механізму, які враховують імовірнісну природу параметрів процесу викопування і наробіток в умовах виробничої експлуатації;

- дістали подальшого розвитку аналітичні залежності для розрахунку параметрів закону фретингового зношування нерухомих з'єднань у вузлах бурякозбиральних машин;

- вперше змодельовано взаємний вплив радіального зносу циліндричних поверхонь і зносу бокових поверхонь шпонки і пазів в шпонкових з'єднаннях у вигляді системи диференціальних рівнянь, розв'язком якої є аналітичні залежності, які враховують трибологічні властивості контактуючих поверхонь і діючі сили та уможливлюють дослідження процесу зношування з'єднань і прогнозування ресурсу ексцентрикового механізму в машинах з лемішними віброкопачами;

- у відомій залежності тріщиностійкості наплавленого металу від вмісту вуглецю встановлено нову закономірність, яка полягає в тому, що завдяки тепловій дії захисного газового полум'я і вищій окиснювальній здатності захисного середовища, наплавлений сталевий шар із вмістом вуглецю від 0,5 до 0,7 % має більшу тріщиностійкість, ніж при меншому вмісті вуглецю в межах від 0,3 до 0,5 %. Практичне значення отриманих результатів. На основі результатів досліджень розроблено настанову з ремонту навісної машини КВЦБ-1,2 з лемішними віброкопачами, рекомендації щодо підвищення довговічності ексцентрикового механізму, які передано для впровадження у ВАТ “Борекс”, та груповий технологічний процес відновлення ексцентрикових валів, який впроваджено в ДП “Ремонтна майстерня” ВАТ "Рівненське РТП".

За рахунок уникнення тріщин при наплавленні на зношені поверхні валів із шпонковими пазами сталевого шару із вмістом вуглецю від 0,5 до 0,7 %, який піддається гартуванню до твердості не менше HRC 52, досягнуто підвищення зносостійкості нерухомих з'єднань при фретингу і, відповідно, підвищення ресурсу ексцентрикового механізму на 18% в порівнянні з існуючими технологіями виготовлення і ремонту.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові положення дисертації отримано здобувачем особисто.

В опублікованих наукових працях [1, 9, 14, 16, 17], виконаних у співавторстві, здобувачу належить: експериментальні дослідження відмов машин з лемішними віброкопачами в умовах виробничої експлуатації і їх класифікація та аналіз [1], проведення випробувань та обробка і аналіз їх результатів [9], дослідження природи тріщин і визначення параметрів режиму наплавлення тріщиностійкого сталевого шару [14], технічні рішення щодо спрямування центрального потоку кисню захисного полум'я у хвостову частину зварювальної ванни [16] та доповнення конструкції газового пальника об'ємною кільцевою щілиною між кільцевим каналом і вихідним каналом пальника [17]. Апробації результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були заслухані і обговорені на ХІ, ХІІ, ХІІІ і ХVІ міжнародних науково-технічних конференціях ННЦ “ІМЕСГ” “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (Глеваха, 2003-2005, 2008 рр.), на науково-технічній конференції, присвяченій 55-річчю заснування системи машиновипробувань сільськогосподарської техніки в Україні (Дослідницьке, 2003 р.), на міжнародній науково-практичній конференції “АГРОМЕХ-2004” (Львів, 2004 р.), на міжнародній науково-технічній конференції ННЦ “ІМЕСГ” “Сучасні проблеми землеробської механіки (VІІІ конференція) та технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві (ХV конференція)”, присвяченій 107-річниці з дня народження академіка Петра Мефодійовича Василенка (Глеваха, 2007 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 14 статей в наукових фахових виданнях, отримано три патенти України на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, який нараховує 125 найменувань, і 8 додатків. Основна частина роботи викладена на 157 сторінках машинописного тексту і містить 39 рисунків і 30 таблиць.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи і відмічено її зв'язок із науковими програмами і темами, сформульовано мету і задачі досліджень, визначено об'єкт і предмет досліджень, наведено перелік методів досліджень, представлено наукову новизну і практичне значення результатів роботи.

В першому розділі “Аналіз конструктивно-експлуатаційних параметрів викопуючих агрегатів з лемішними віброкопачами та з'єднань в ексцентриковому механізмі і способів відновлення їх працездатного стану” виконано аналіз відомих досліджень процесу вібраційного викопування коренеплодів з точки зору вибору конструктивних рішень і енергетичних параметрів. Значний вклад в розвиток цього напряму і створення та вдосконалення викопуючих агрегатів для його реалізації внесли вітчизняні вчені: П.М.Василенко, Л.В.Погорілий, В.М.Булгаков, І.В.Головач, В.В.Брей, Г.М.Гряник, М.П.Волоха, Я.І.Козіброда, І.О.Закалов та інші. На підставі аналізу складу парку бурякозбиральної техніки встановлено, що дві третини машин зарубіжного виробництва обладнані або можуть бути обладнані лемішними віброкопачами і конструктивно передбачено їх застосування в сучасних вітчизняних бурякозбиральних комбайнах КС-6Б-10 “Тернопіль” і КБС-6 “Збруч”. Частина навісних машин (КВЦБ-1,2, ВВУ-1, R-6 "KLEINE" (ФРН), AS 49 “GILLES” (Бельгія)), призначених для реалізації валкової технології збирання, також обладнана лемішними віброкопачами. Для вітчизняних машин розроблено нормативи надійності і, зокрема, трудомісткості на технічне обслуговування і ремонт. Але експериментальні дослідження експлуатаційної надійності машин, які могли б стати основою її підвищення, не виконувались.

Вагомий вклад в розвиток теорії надійності і основ випробувань та технології ремонту сільськогосподарської техніки внесли В.Я.Анілович, Л.В.Погорілий, В.М.Кряжков, В.М.Міхлін, А.І.Бойко, М.В.Молодик, М.І.Черновол, Л.С.Єрмолов, С.Г.Гранкін, І.Л.Роговський та інші. Надійність агрегату з лемішними віброкопачами як складної механічної системи визначається надійністю його вузлів і з'єднань. В існуючих конструкціях більше третини всіх з'єднань знаходиться в ексцентриковому механізмі вібропривода, в якому крутні моменти передаються за допомогою шпонокових з'єднань.

У відомих дослідженнях (Демко А.А.) приводиться аналіз зносів шпонкових з'єднань у вузлах тракторів і сільськогосподарських машин, але закономірності їх зношування не визначались і, відповідно, відсутні розрахункові формули для визначення ресурсу.

Прогнозування ресурсу елементів машин з метою підвищення довговічності є важливою технічною задачею і її вирішення базується на теорії тертя та зношування, розвитком якої займались відомі вчені: І.В.Крагельський, Б.І.Костецький, М.М.Хрущов, О.С.Проніков, А.А.Демко, Н.Б.Костецька, В.В.Шевеля, А.Г.Кузьменко та інші. На основі аналітичних досліджень обґрунтовано застосування елементного закону зношування, встановленого І.В.Крагельським, і методу О.С.Пронікова для розрахунку зносу нерухомих з'єднань.

Враховуючи актуальність відновлювальних ремонтів і модернізації техніки, обґрунтовано доцільність зміцнюючого відновлення зношених поверхонь ексцентрикових валів із шпонковими пазами наплавленням вуглецевого сталевого шару дуговим способом з газополуменевим захистом.

В другому розділі “Теоретичні передумови підвищення ресурсу нерухомих з'єднань в ексцентриковому механізмі вібропривода лемішних копачів та методика його прогнозування” викладено робочу гіпотезу, згідно з якою зношування шпонкових з'єднань буде визначатись взаємним впливом зносу в трибоконтакті шпонки з поверхнями шпонкових пазів вала і втулки та зносу в трибоконтакті циліндричних поверхонь вала і втулки. В результаті досліджень встановлені математичні моделі зношування шпонкового з'єднання і трибоконтакту двох циліндричних поверхонь при фретингу; розраховано параметр закону зношування бокових поверхонь шпонки і пазів на основі результатів випробувань; виконано аналіз сил, що діють на пару лемешів в процесі викопування, і навантажень в з'єднаннях; розроблено методику прогнозування ресурсу шпонкових з'єднань валів з ексцентриками.

Процес зношування шпонкового з'єднання двох циліндричних деталей в бурякозбиральних машинах умовно представлено таким (рис. 1), що відбувається внаслідок мікропереміщень втулки і шпонки відносно вала, зумовлених діючими в з'єднанні силами. Якщо вал обертається з частотою n і передає крутний момент Мкр, то в з'єднанні буде діяти колова сила Fк. Крім цього в шпонкових з'єднаннях ексцентрикового механізму викопуючого агрегату буде діяти радіальна сила Fр, зумовлена роботою копачів.

Моделюючи процес зношування, зроблено допущення, згідно з якими частота мікропереміщень дорівнює частоті обертання вала і контакт циліндричних поверхонь вала і втулки постійно переміщується вздовж кола. За досить малий проміжок часу dt число таких контактів позначено буквою і.

Модель зношування такого з'єднання представлено, на підставі відомого елементного закону зношування в диференціальній формі, диференціальними рівняннями, перше з яких описує знос бокових поверхонь шпонки і пазів, а друге - радіальний знос циліндричних поверхонь вала і втулки:

, ,

де dhш - елементарний боковий знос між боковими поверхнями шпонки і пазів на елементарному шляху їх тертя ds1, 10-3 м;

dh - елементарний радіальний знос циліндричних поверхонь на елементарному шляху їх тертя ds2, 10-3 м;

kш і m1 - параметри закону зношування бокових поверхонь пазів і шпонки, (10-7 Па-1)m і відн. од.;

kc і m2 - параметри закону зношування трибоконтакту циліндричних поверхонь вала і втулки, (10-7 Па-1)m і відн. од.;

p1 - контактний тиск при взаємодії бокових поверхонь пазів вала і втулки з боковою поверхнею шпонки , 107 Па;

p2 - контактний тиск між циліндричними поверхнями вала і втулки, 107 Па;

і - число трибоконтактів циліндричних поверхонь, шт.;

Шлях тертя s1 пропорційний величині мікропереміщень шпонки в пазах в радіальному напрямі і визначається подвійною величиною конструкційного радіального зазору Д між циліндричними поверхнями, величиною конструкційного радіального зазору А0 між шпонкою і пазом втулки і подвійною величиною радіального зносу h між циліндричними поверхнями. Шлях тертя s2 пропорційний величині мікропереміщень втулки відносно вала в напрямі окружності їх циліндричних поверхонь і визначається величиною конструкційного зазору В0 між боковими поверхнями шпонки і пазу втулки та величиною зносу hш між боковими поверхнями шпонки і пазів.

Для контактного тиску р2 між циліндричними поверхнями використано відомий вираз:

 ,

де Д - радіальний зазор між циліндричними поверхнями, 10-3 м;

h - радіальний знос циліндричних поверхонь, 10-3 м;

Fр - радіальна сила, Н;

И - постійна Кірхгофа, 10-7 Па-1; , Е1, Е2 і м1, м2 - модулі пружності і коефіцієнти Пуассона контактуючих тіл, 107 Па і відн. од.;

l - довжина шпонкового з'єднання, 10-3 м;

R1 - радіус циліндричної поверхні вала, 10-3 м.

Після відповідних перетворень в рівняннях (1) із допущенням, що знос бокових поверхонь шпонки і пазів відбувається за лінійним законом (m1=1), а радіальний знос циліндричних поверхонь - за законом з показником степеня m2=2, отримано таку систему:

,

де n - частота обертання шпонкового з'єднання, с-1;

А0 і В0 - початкові радіальний і боковий зазори в шпонковому з'єднанні, 10-3 м;

t - наробіток з'єднання, с;

В1 - умовне позначення: , відн. од.;

hш - боковий знос шпонкового з'єднання за час t, 10-3 м;

Розв'язок системи (3) отримано у вигляді такої системи рівнянь:

де а, b, c, r, j, q, z - умовні позначення: а=1+j , відн. од.; b=j·c(R2·q)-1, 103 м-1; с=2В1В0·n, 10-3 м/с; r = j·z(2R2·q)-1 , 106 м-2; , відн. од.; q = 2kш p1 n A0, 10-3 м/с; z = 2B1 n, с-1;

С1 - умовне позначення:

, 10-6 м2/с;

u = (4kш n p1)-1, с;

Vш - швидкість зношування бокових поверхонь шпонки і пазів, 10-3 м/с.

Порядок розрахунку за формулами системи (4) такий: спочатку за першим рівнянням системи (4) обчислюють значення наробітку t для заданого значення бокового зносу hш; потім за другим рівнянням системи (4) визначають швидкість зношування бокових поверхонь шпонки і пазів; підставивши отримане значення швидкості зношування в третє рівняння системи (4), знаходять радіальний знос h циліндричних поверхонь для заданого значення hш і наробітку t.

Залежності hш(t) і h (t) визначають за допомогою метода ітерацій, задавши попередньо крок обчислень Д hш.

Розв'язок задачі контактної взаємодії двох циліндричних поверхонь, які мають обмежену довжину L, при їх внутрішньому дотиканні (рис.2) і фретинговому зношуванні за лінійним законом (параметр m=1) в умовах циклічних окружних мікропереміщень отримано у вигляді залежностей:

,

,

де h - знос в трибоконтакті в напрямі дії сили притискання і зближення поверхонь внаслідок їх зношування, 10-3 м;

б0, R1 і R2 - напівкут контакту і радіуси зразка та контрзразка, відповідно, град, і 10-3 м;