Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка технологических способов повышения долговечности рабочих элементов машин и оборудования природообустройства

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Бондарева Галина Ивановна

Москва 2012



Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП).

Научный консультант: Орлов Борис Намсынович доктор технических наук, профессор кафедры «Технологии металлов и ремонта машин» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Официальные оппоненты: Перов Виктор Александрович доктор технических наук, профессор заведующий кафедрой «Теоретической механики и теории механизмов и машин» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Славкин Владимир Иванович доктор технических наук, профессор заведующий кафедрой «Техническая механика» ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» г.Балашиха

Сидыганов Юрий Николаевич доктор технических наук, профессор кафедры «Эксплуатации машин и оборудования» ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет» г.Йошкар-Ола

Ведущая организация: ФГБНУ «Росинформагротех» Московская область, п. Правдинский

Защита состоится 9 октября 2012 года в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова 19, МГУП, ауд. 201/1, тел./факс: 8 (495) 976-10-46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московского государственного университета природообустройства».

Автореферат разослан 7 сентября 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат технических наук Сурикова Т.И.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Возрождение российской экономики немыслимо без подъема АПК и строительного комплекса России, которое зависит от качества применяемых машин и технологического оборудования. Современные предприятия строительной индустрии работают в динамичных экономических условиях, что заставляет рассматривать отдельные компоненты характеристики технического изделия не изолированно, а как взаимосвязанную систему базовых показателей, в целом определяющих конкурентоспособность продукции: качество машин и оборудования природообустройства; уровень технического сервиса в эксплуатации (гарантийное и послегарантийное обслуживание и ремонт) и др.

Конкурентоспособность изделий мелиоративной и строительной техники напрямую связана с качеством проектно-конструкторских работ и технологической подготовкой производства, их сроками и трудоемкостью. При этом проблема состоит в необходимости разработки и внедрения комплекса организационно-технических, технологических и методических мероприятий, направленных на реорганизацию предприятия на основе сквозной компьютерной технологии проектирования, производства и сопровождения. Кроме того, данная проблема обостряется и для тех предприятий, которые переходят к выпуску конверсионной продукции. Ориентированные ранее на государственный заказ и специфику строительства, они должны выработать новый подход к организации производства изделий строительной техники, учитывающий множество неопределенных факторов, характеризующих условия обстановки и сферу потребления технических изделий, возможность сокращения сроков подготовки производства за счет широкого использования методов моделирования при принятии решений, необходимость жестких ограничений и экономии средств, а также снижения затрат на производство в условиях рынка.

Развитие комплексной механизации мелиоративных работ, когда реальные и объективные требования диктовали конструкторам и технологам создавать средства механизации, которые бы обладали энергонасыщенностью, повышенной универсальностью, широкой возможностью использования большого количества сменных рабочих органов и др., сопровождалось довольно противоречивыми и разносторонними требованиями к технологическим и техническим характеристикам машин и оборудования. Эти требования не могли быть тогда учтены в полной мере. В современных условиях при теперешнем уровне развития науки и техники стало возможным более точно прогнозировать и управлять процессами, происходящими в структурах машин и разработать технологические методы повышения долговечности рабочих элементов машин и оборудования природообустройства.

В настоящее время строительные организации АПК России укомплектованы большим парком машин и технологического оборудования, в том числе применяемых на бетонорастворных заводах и заводах железобетонных изделий. При этом в общей производственной программе работы бетоносмесительного производства достигают порядка 30 % и более.

Анализ и промышленный опыт эксплуатации строительной техники и технологического оборудования показывают, что до 40 % всех причин снижения их производительности и срока службы приходится на износ рабочих органов.

Это вызвано износом низкоресурсных элементов, подвергающихся значительным динамическим нагрузкам, ударно-абразивному воздействию агрессивных сред, которые значительно снижают показатели эксплуатационной надежности и производительность данного комплекса машин и оборудования в целом. К таким деталям в первую очередь относятся футеровочные элементы, кронштейны рабочих органов, лопасти и лопатки строительных смесителей, валы и отверстия в корпусах под них, наработка на отказ которых не превышает 150 ч, что в подобных условиях строительного производства недопустимо.

В современных условиях проблема усугубляется тем, что практически все технологическое оборудование природообустройства изношено до предела, а приобретение нового для его замены непосильно для большинства строительных организаций, промышленных предприятий и заводов. Результаты анализа многочисленных публикаций по вопросам повышения износостойкости показали необходимость разработки подходов, которые обеспечили бы наиболее полный учет всех взаимосвязанных факторов: рабочую среду; материала детали; внешних условий изнашивания, возможность автоматизации восстановления поверхностей.

Изнашивание охватывает совокупность сложных явлений, происходящих при взаимодействии поверхностных слоев металла с изнашивающей средой в повышенных условиях температуры и давления.

При этом все компоненты этого процесса, включающие и металл, и изнашивающую среду, и внешние условия, взаимно связаны и каждый из них оказывает определенное влияние на конечный результат - изнашивание и значение износа.

Анализ работ в области обеспечения долговечности деталей машин показывает необходимость разработки методологии повышения износостойкости на основе формализации базы накопленных знаний современными методами и средствами.

Проработка предлагаемого подхода к изучению износостойкости возможна при комплексном системном подходе, включающем изучение общей трибосистемы по схеме: материал - условия изнашивания - изнашивающая среда. Построение модели изнашивания и количественная оценка каждого из явлений, предшествующих и сопровождающих разрушение поверхностного слоя металла, обусловливает более глубокое раскрытие природы сопротивления сплавов изнашиванию, позволит повысить эффективность упрочнения материалов для быстроизнашиваемых деталей, даст возможность полнее реализовать защитные свойства металлов и управлять их износостойкостью в заданных условиях эксплуатации.

Поэтому здесь весьма важно определить пути оптимизации воздействия параметров компонентов, обеспечивающих наименьшую величину износа и, следовательно, повышение срока службы, как отдельных деталей машин, так и строительного оборудования в целом.

Современный уровень научных знаний в области эксплуатации строительной техники и технологического оборудования не позволяет комплексно решать вопросы обеспечения долговечности и повышения их эксплуатационной производительности.

Целью исследования является разработка концептуальных подходов, обеспечивающих комплексный учет всех взаимосвязанных факторов интенсивного изнашивания и повышения долговечности рабочих элементов и деталей машин и оборудования природообустройства.

Объект исследования - быстроизнашивающиеся рабочие элементы технологического оборудования бетоносмесительного производства, применяемые при мелиоративном, гидротехническом и промышленно-гражданском строительстве.

Предмет исследования - способы и средства прогнозирования ресурса и оптимизации технологических процессов восстановления рабочих элементов технологического оборудования бетоносмесительного производства.

Методология исследования основана на использовании положений общей теории систем, теорий надежности и вероятностей, графов и матриц, теории планирования экспериментов, методов физического, математического моделирования и программирования с использованием ЭВМ и математической статистики. Информационной и экспериментальной базой исследований явились теоретические и методические разработки, выполненные автором в течение 2000-2011 г.г., а также реальные данные производственной деятельности сельскохозяйственных, промышленных и строительных предприятий.

Обработка результатов исследований осуществлялась на основе методов многофакторного и статистического анализов с использованием разработанных автором новых комплексов программного обеспечения.

Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в систематизации, развитии и реализации научно-методических основ обеспечения долговечности рабочих элементов машин и технологического оборудования природообустройства за счет прогнозирования ресурса, оптимизации технологических процессов их восстановления и повышения износостойкости.

Выполненные в работе исследования позволили получить совокупность новых научных результатов:

1.Разработана физико-математическая модель отказов рабочих органов строительных машин и технологического оборудования с учетом внешних эксплуатационных факторов, потока абразивных частиц водно-пластичных и ударно-абразивных сред особопрочных и тяжелых бетонов и введением в расчетные схемы предложенных коэффициентов их сложности.

2. Впервые предложены физико-механические модели изнашивания рабочих органов и футеровочных элементов бетоносмесителей путем выявления закономерностей воздействия на их поверхности потока абразивных частиц бетонорастворных смесей. Теоретически и экспериментально доказано, что скорость изнашивания зависит как от структуры и составов бетонорастворных смесей, так и конструктивных параметров рабочих органов, обусловливающих механизмы их изнашивания и причины его возникновения.

3. На основе выявленных факторов, оказывающих наибольшее влияние на интенсивность ударно-абразивного изнашивания, построено математическое обеспечение определения ресурса износостойкости быстроизнашивающихся рабочих органов, прогнозирования изменения их параметров и оценки технического состояния. С учетом вероятности отказа, в зависимости от критерия оптимизации, предложенная методика позволяет обоснованно определять степень износа, остаточный ресурс любого быстроизнашивающегося рабочего элемента строительных машин и технологического оборудования на различных стадиях жизненного цикла, потребности в запасных частях, а также осуществлять достоверную оценку необходимости их ремонта и восстановления с целью повышения эксплуатационной производительности в рамках директивных сроков строительства. строительный машина технологический абразивный

4. Теоретически и экспериментально обоснована номенклатура факторов и построена новая многофакторная математическая модель технологических процессов восстановления быстроизнашивающихся деталей рабочих органов строительных машин и оборудования с учетом значимости показателей эксплуатационной надежности, экологической безопасности и ресурсосбережения. В основу впервые положены формализованный учет выявления факторов и анализ главных компонент, принципы динамического имитационного аппарата и программное обеспечение на базе нейросетевых технологий, метода группового учета аргументов и генетических алгоритмов.

5. Предложено методическое обеспечение комплексной оценки эффективности выбора и обоснования рациональных способов и технологических процессов восстановления быстроизнашивающихся рабочих элементов строительных машин и оборудования на основе разработанного программного комплекса. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден рациональный способ восстановления быстроизнашивающихся рабочих элементов на примере бетоносмесительных и бетоноукладочных машин воздушно-плазменным напылением восстановительных и упрочняющих покрытий с последующим оплавлением.

6. На основе применения принципов сформированного методологического обеспечения разработан новый способ определения износа рабочих органов и контроля технического состояния бетоносмесительных установок, обеспечивающий возможность бесконтактного диагностирования износа лопаток, выбора рационального метода их восстановления и снижения трудозатрат;

Полученные научные результаты отличают диссертацию от ранее выполненных исследований тем, что в ней впервые комплексно исследованы вопросы повышения долговечности быстроизнашивающихся рабочих элементов строительных машин и технологического оборудования в сфере строительного производства АПК.

Указанные положения и результаты являются личным вкладом автора в научную модернизацию производства и определяют научную значимость выполненного исследования.

Новизна, научно-технический уровень разработок и практическая ценность. Работа подтверждена патентом РФ на изобретение, а также участием в многочисленных межвузовских, международных и региональных научно-практических конференциях, выставках и конкурсах.

Практическая значимость. Реализация результатов исследований и научных положений в практику мелиоративного, гидротехнического строительства и промышленно-гражданского строительства позволит снизить на 15…25 % себестоимость изготовления, на 30…40 % трудоемкость и стоимость восстановления изношенных рабочих органов, увеличить ресурс в 2…2,2 раза и срок их службы в 1,5…2 раза при обеспечении повышения эксплуатационной производительности оборудования на 5…10 %, снижения себестоимости на 25…30 % и на 5…7 % сроков выполнения работ по строительству объектов различного назначения.

Практическая пригодность и эффективность методологического аппарата, а также предложенных на его основе рекомендаций, подтверждены актами внедрения и реализации.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов подтверждается применением апробированных методов научных исследований, хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, производственной проверкой результатов исследований на предприятиях сельскохозяйственной, строительной и дорожной отрасли различных министерств и ведомств.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Физико-математическая модель отказов быстроизнашивающихся рабочих элементов машин и оборудования природообустройства с учетом конструктивно-технологических характеристик, эксплуатационных требований и кинетики физико-механических процессов.

2. Физико-механические модели изнашивания рабочих органов и футеровочных элементов бетоносмесителей при ударном воздействии потока абразивных частиц водно-пластичных специальных бетонорастворных смесей.

3. Методика определения ресурса износостойкости рабочих органов, прогнозирования изменения параметров и оценки технического состояния строительных машин и технологического оборудования с учетом факторов и закономерностей их влияния на динамику изнашивания.

4. Математическая модель оптимизации технологических процессов восстановления деталей строительных машин и оборудования с учетом весомости показателей эксплуатационной надежности, экологической безопасности и ресурсосбережения на основе нейросетевых технологий.

5. Методики оценки эффективности, выбора и обоснования рациональных способов и технологических процессов восстановления быстроизнашивающихся рабочих элементов строительных машин и оборудования на базе программного обеспечения.

6. Результаты экспериментальных исследований с целью проверки разработанных теоретических положений и реализации их в виде новых технических и технологических решений, направленных на повышение эффективности применения машин и технологического оборудования в формирований и организациях в сельскохозяйственной, строительной и дорожной отраслей различных министерств и ведомств.

7. Практические рекомендации по обеспечению долговечности быстроизнашивающихся рабочих элементов строительных машин и технологического оборудования и повышению их эксплуатационной производительности в условиях строительного производства.

В диссертации изложены результаты исследований процессов восстановления изношенных поверхностей рабочих органов машин и оборудования природообустройства. Дано теоретическое описание процессов изнашивания поверхностей рабочих органов в зависимости от типа заполнителя и напряженно-деформированного состояния с использованием метода конечных элементов. Предложены методики промышленного освоения автоматизированного изготовления, ремонта и восстановления быстроизнашиваемых (низкоресурсных) деталей (элементов) машин и технологического оборудования мелиоративной и строительной индустрии на основе современных систем автоматизированного управления.

Рекомендации. Результаты исследования могут быть использованы при эксплуатации и ремонте строительных смесителей технологических машин и оборудований природообустройства при мелиоративном, гидротехническом строительстве и ПГС.

Рисунок 1 - Распределение выполненных подрядных работ за 2009 год в интересах различных министерств и ведомств Российской Федерации



Внедрение. Результаты исследования внедрены в ООО «СИТИ ГРУП» г.Москва

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на международных научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ФГБОУ ВПО МГУ Природообустройства г. Москва (2005…2011 гг.), научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э.Баумана (2007…2009 гг.), международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО МГАУ им.В.П.Горячкина г. Москва (2008…2010 гг.), научно-практических конференциях технического совета ГОСНИТИ г. Москва (2007…2008 гг.), международных научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ФГБОУ ВПО в МГТУ «Станкин» г. Москва (2009…2010 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, в том числе 25 в перечне ведущих рецензируемых научных журналов ВАК. Получен патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложения. Работа изложена на 281 страницах машинописного текста, включает 89 рисунков, 44 таблиц, библиографию из 287 наименований из них 22 иностранной литературы и приложения на 17 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы исследования и необходимость ее разработки.

Состояние вопроса и задачи исследования

В первой главе проведен анализ состояния науки и практики в области повышения долговечности рабочих элементов сельскохозяйственных, мелиоративных, строительных машин и оборудования в мелиоративном и промышленно-гражданском строительстве. Выполняется комплекс мероприятий по проектированию и совершенствованию инфраструктуры, изготовлению и ремонту строительной техники и основного технологического оборудования, добыче и переработке нерудных материалов, связанный со строительством и реконструкцией объектов.

Объемы работ, выполненные некоторыми строительными организациями России за период с 2004 по 2009 г.г. в интересах различных министерств и ведомств РФ, составили более 190 млрд. руб., из них собственными силами - около 110 млрд. руб. При этом указанные объемы работ сформированы на основе сведений о возведении (реконструкции) объектов, сгруппированных по министерствам и ведомствам с указанием мест строительства и подрядчиков.

Результаты анализа общего объема подрядных работ показывают их непрерывный рост.

Так, увеличение объемов работ, выполненных в 2009 году (45,3 млрд. руб., рисунок 1), по сравнению с объемом работ 2008 года составило порядка 60%. Причем тенденция роста объемов работ сохраняется.

Таблица 1 - Объемы выпуска бетонорастворных смесей и изделий строительной промышленностью России

Наименование	Ед. изм.	Годы
		2003	2004	2005	2006	2007	2008	2009
Сборный железобетон	м3	158760	176012	213671	211706	444468	387100	415898
Неармированные изделия	м3	49117	46133	42673	82135	119554	86070	87755
Товарный бетон	м3	148493	232396	313627	359503	622320	758290	836603
Товарный раствор	м3	55796	99211	132142	74215	314174	343616	361308
Блоки и стеновые панели из ячеистого бетона	м3	26883	39900	35900	60460	166783	158181	154077
Блоки из пенобетона	м3	2417	4664	27118	3816	996	519	674
Мелкоштучные изделия	м3	-	-	-	26700	11011	20300	21600
Мозаичные изделия	м3	738	-	-	60	210	-	2649
ИТОГО	м3	442204	598316	765131	818595	1679516	1754076	1880564

Исследуя эффективность работы машин и оборудования в широком смысле как их функционирование с наибольшей производительностью и высоким качеством работы, необходимо рассматривать машину как часть общей системы, в которую входит другая составляющая - выполняемый машиной технологический процесс.

Основы создания строительной, мелиоративной и сельскохозяйственной техники и оборудования были заложены трудами отечественных ученых как Гарбузов З.Е., Казаков В.С., Маммаев З.М., Мер И.И., Кузин Э.Н., Томин Е.Д., Турецкий Р.Л., Шаршак В.К., Рябов Г.А., Скотников В.А., Лукъянчиков А.Н., Ксеневич И.П., Суриков В.В. Павлинов А.Н. Кокоз В.А., Конкин Ю.А., Морозов Н.М., Шпилько А.В. и др.

В настоящее время строительные организации АПК России укомплектованы большим парком машин и технологического оборудования, в том числе применяемых на бетонорастворных заводах и заводах железобетонных изделий. При этом в общей производственной программе работы бетоносмесительного производства достигают порядка 30 % и более.

Выполнение производственных заданий по строительству (возведению и/или реконструкции) ряда объектов производится со значительным потреблением гидротехнических, высокомарочных и литых бетонов, что невозможно без применения современных технологий и оборудования, требующих от строительной промышленности России своевременных поставок высококачественных бетонорастворных смесей и изделий из них (таблица 1).

Рисунок 2 - Классификация бетоносмесительного оборудования

Создавая современные основные производственные фонды для других отраслей промышленности, дорожно-строительные организации России способствуют снижению затрат, росту конкурентоспособности отечественной продукции, а также повышению эффективности производства и функционирования в ходе осуществления деятельности, направленной на развитие и укрепление экономики государства.

Технологическое оборудование, применяемое для приготовления, подачи, распределения и укладки бетонорастворных смесей играет решающую роль в получении высококачественных строительных материалов, снижении их себестоимости, а также сокращения сроков строительства объектов гидротехнического и промышленно-гражданского строительства.

В современных условиях строительства и значительном росте объемов работ от технического состояния и эффективности работы бетоносмесительного оборудования (БСО) во многом зависит выполнение задач, стоящих перед строительными организациями, а значит и уровень экономических показателей.

Так, БСО используется для приготовления бетонорастворных и сухих смесей различного назначения при строительстве и реконструкции объектов в составе технологических линий не только БСК, но и производства ЖБК, БРЗ и БСУ вне зависимости от условий климатических зон. Кроме того, бетонорастворосмесители находят достаточно широкое применение в различных отраслях народного хозяйства (рисунок 2), где непосредственно требуется смешивание различных компонентов, как сухих, так и жидких, либо их вариаций и являются определяющим звеном, влияющим на работоспособность и эксплуатационную производительность строительных комплексов.

В России ежегодно затраты на изготовление запасных частей составляют миллионы рублей, а металла на их производство тратится значительно больше, чем на изготовление новых машин и технологического оборудования. В связи с высокой износонеустойчивостью затраты на ТО и ремонт за весь срок службы в несколько раз превышают их первоначальную стоимость (например, трудоемкость проведения ТО и ремонта в 15 раз превышает трудоемкость производства новых машин и оборудования).

Срок службы быстроизнашивающихся деталей определяет рентабельность многих дорогостоящих машин. По укрупненным расчетам за последние годы движение основных фондов происходило в одностороннем порядке - списание техники и оборудования при крайне незначительном их обновлении. При этом средний срок службы машин и оборудования вдвое превысил нормативный. Особенно в тяжелом положении оказались специализированные управления механизации и предприятия, оснащенные уникальной и дорогостоящей техникой, которая в настоящее время характеризуется достаточно высокой степенью изношенности (рисунок 3).

Современные тенденции развития, связанные с повышением надежности и производительности строительного оборудования, постоянным ростом давлений приготавливаемых БРС, скоростей, температуры и нагрузок на рабочие органы, ставят проблему их долговечности и износостойкости в ряд важнейших задач народнохозяйственного значения. Несмотря на достигнутый прогресс в области увеличения срока службы строительного оборудования, он остается недостаточным. Особенно велик износ деталей рабочих органов, эксплуатируемых в ударно-абразивной и агрессивной средах, что значительно влияет на показатели их эксплуатационной надежности.

Так, анализ эксплуатации оборудования природообустройства свидетельствует, что всего за один сезон работы приходится заменять до 40 комплектов рабочих деталей - лопастей, валов и отверстий их крепежа в корпусах, что в среднем обходится в 30…40 % стоимости нового бетоносмесителя. Это, в свою очередь, вынуждает ежегодно изготавливать для технологических линий и промышленных баз строительства миллионы лопаток и др. перечисленных рабочих деталей. В результате интенсивной эксплуатации в подобных условиях их наработка на отказ составляет всего лишь 150…200 ч., что недопустимо в современных условиях.

Рисунок 3 - Степень износа, сокращения и обновления парка строительной техники и технологического оборудования в России



При эксплуатации оборудования их рабочие органы постоянно испытывают воздействия среды (ударно-абразивные, знакопеременные в условиях широких температурных изменений на фоне снижения усталостной прочности и коррозионной стойкости), в результате которых происходит резкое снижение физико-механических свойств материалов деталей (разупрочнение, снижение твердости, износостойкости). Среди составных элементов наименее надежными и ограничивающими безремонтный цикл их функционирования в условиях ударно-абразивного изнашивания являются детали рабочих органов, подверженные наибольшему износу

Рисунок 4 - Вид изношенных рабочих элементов смесителя:

1 - фрагмент рабочей лопасти;

2 - кронштейн лопасти Рисунок 5 - Рабочая лопатка смесителя, подверженная интенсивному ударно-абразивному изнашиванию

Интенсивное изнашивание обуславливает низкую долговечность (рисунки 4, 5), большую потребность в запасных частях, а также незапланированные остановки строительного оборудования для замены изношенных деталей новыми или восстановленными.

Таким образом, износы рабочих деталей смесительного оборудования определяются условиями работы и характеризуются возникновением циклических нагрузок, окружающей средой и степенью ее агрессивности, характером состояния рабочих поверхностей и т.д.

Строительные смесители различных производителей имеют общность конструкций и могут быть представлены в виде многоуровневой иерархической структуры элементов (рисунок 6).

Рисунок 6 - Структурная схема строительного смесителя как объекта исследования

На основе проведенного анализа установлено, что износ различных групп рабочих элементов находится в пределах 0,03…10 мм. При этом около 80 % всех элементов имеют износ до 0,9…3,0 мм. Кроме износа рабочих поверхностей элементов происходит изменение их геометрической формы (? 7,4 %), а также возникновение трещин и изломов (? 3,8 %). Инженерный анализ причин и видов изнашивания рабочих деталей строительных смесителей позволил составить их классификацию и сделать следующие выводы:

1. С учетом особенностей конструктивно-компоновочных и эксплуатационных решений установлены группы деталей, максимальное количество которых входят в его узлы.

2. По условиям работы и конструктивным особенностям наибольшему изнашиванию подвергаются рабочие поверхности лопаток, валов и отверстий для них, работающие в тяжелых условиях ударно-абразивного воздействия, испытывающие максимальные знакопеременные нагрузки, а также относительные скорости перемещения.

3. Частая замена быстроизнашивающихся лопастей (через 150…200 часов работы) приводит к резкому снижению технического ресурса, увеличению трудоемкости и затрат на изготовление, ремонт и восстановление;

4. Факторы, оказывающие влияние на изнашивание рабочих элементов, в обязательном порядке должны учитываться при математическом описании.

В современных условиях эксплуатации машин и оборудования природообустройства необходимо теоретические основы выбора рационального способа восстановления развиваются в направлении технико-экономической оптимизации. Ресурс элемента детали является теоретическим фактором, а практически используются коэффициенты относительной износостойкости, полученные по данным сравнительных испытаний. При этом уже стало формироваться различие между понятиями «ресурс детали» и «ресурс элемента детали», а достичь одинаковой надежности всех элементов детали в большинстве случаев нереально. В этом случае возникает необходимость исследовать все элементы детали (определить экономическую целесообразность восстановления быстро изнашиваемых элементов, выявить их остаточные ресурсы) с целью прогнозирования безотказности по конкретному элементу, а также использовать возможность обеспечения кратности ресурсов элементов.

В рыночной экономике только те мероприятия могут принести успех, если они взаимоувязаны с рентабельностью и прибыльностью соответствующих производств. Здесь, видимо, придется учитывать масштабный фактор предприятий, способность их обеспечения ремонтным фондом, снижать издержки, связанные с его сбором. Все эти вопросы нуждаются в отдельной тщательной проработке. От положительных ответов будет зависеть успех дела не в меньшей степени, чем от самых прогрессивных инженерных решений.

Во второй главе предложено моделирование изнашивание рабочих элементов машин и оборудования природообустройства.

При проведении исследований по моделированию изнашивания рабочих поверхностей быстроизнашивающихся элементов машин и оборудования природообустройства, как сложных технических систем, необходимо:

? обосновать и разработать математические модели определения интенсивности отказов деталей и узлов технической системы с прогнозированием их ресурса по износостойкости;

? предложить комплекс моделей изнашивания строительного оборудования с учетом конструктивно-технологических характеристик рабочих поверхностей, эксплуатационных требований и кинетики физико-механических процессов;

? сформулировать методологическое обеспечение прогнозирования изменения параметров технического состояния быстроизнашивающихся рабочих элементов строительного оборудования для оценки, выбора и обоснования рациональных технологических процессов их восстановления на основе современных информационных и ресурсосберегающих технологий.

Решение этих задач базируется на применении современных методов научного исследования: теории систем, теории надежности и вероятностей, графов и матриц, ранговой корреляции, аппарата производственных функций; комплекса аналитических методов исследования, в том числе методов математического моделирования и программирования с использованием ЭВМ и математической статистики.

Последовательность выполнения работы и ее содержание представлены в виде методологии, которая наглядно показывает характер взаимосвязи и последовательность выполнения отдельных этапов исследования. При этом в ее основу положен системный подход, комплексные и сравнительные методы исследований с использованием расчетно-экспериментальных методик на основе САПР и САУ технологическим оборудованием. Поскольку методики отдельных вопросов тесно связаны с результатами исследований, то они более полно освещены в соответствующих разделах монографии.

Физико-математическая модель отказов быстроизнашивающихся рабочих элементов

Повышение уровня надежности машин и технологического оборудования относится к числу основных инженерных задач анализа, прогноза и выбора эффективных методов и средств обеспечения надежности оборудования для обеспечения высокой эффективности и безопасности эксплуатации в заданные гарантированные сроки службы.

Необходимо выявить связи показателей надежности элементов с физико-конструктивными характеристиками материалов их рабочих поверхностей и условий эксплуатации с применением статистических методов оценки надежности. Эти факторы определяют специфичность проблемы обеспечения безотказной работы деталей, узлов, и агрегатов, а также диктуют необходимость применения более эффективных методов оценки их полной надежности:

(1)



где Р_п, Р_т, Р_э, Р_с - соответственно проектная (конструктивная), технологическая, эксплуатационная и собственная (исходная) надежность мелиоративных и строительных машин и оборудования.

Первая составляющая полной надежности закладывается разработчиками при проектировании и характеризует свойство оборудования сохранять выходные характеристики в заданных пределах при изменении внешних параметров элементов. Она определяется конструктивно-компоновочной схемой, выбранными материалами, их свойствами и «сочетаемостью».

При этом с математической точки зрения проектирование сводится к максимизации функционала вида:

где Р - определяет вероятность нахождения данного параметра оборудования в границах допуска (устойчивость);

f_i (x_i, М_i, D_i, К_ij) - закон распределения i-го входного параметра;

V - область вариации входных параметров;

x_i - текущее значение i-го входного параметра;

М_i, D_i, К_ij - характеристики положения, рассеяния и корреляции закона распределения i-го входного параметра;

1 - если выходные параметры соответствуют предъявляемым

Z = требованиям;

0 - если хотя бы один выходной параметр не соответствует предъявляемым требованиям.

Для надежной работы мелиоративной и строительной техники и оборудования необходимо:

? обеспечить примерную равнопрочность и равномерный износ деталей с учетом условий их нагружения, так как без этого трудно определить время, в течение которого могут и должны надежно работать отдельные элементы в составе машины или их комплекса при определенных условиях. Поэтому для решения этой задачи необходимо доработать многие вопросы, касающиеся, например, расчетов деталей по износостойкости к другим видам стойкости, деталей с ограниченной выносливостью и напряжениями, близкими к пределу выносливости;

? предусмотреть уменьшение массы деталей, применяя материалы с повышенными нормальными, а иногда и специальными показателями прочности, что позволит резко повысить надежность и долговечность деталей. Однако, в связи с разработкой в последнее время технологического оборудования универсального типа, полная (общая) надежность резко снижается из-за повышения сложности их конструкций, что требует новых направлений научных исследований;

? повысить ремонтную технологичность путем экспериментальной выверки и доводки новых конструкций с учетом их надежности и долговечности.

Рисунок 7 - Этапы прогнозирования надежности рабочих элементов строительной техники и оборудования на различных стадиях

Решение задачи контроля качества и повышения эксплуатационной надежности осуществляется по предложенному алгоритму (рисунок 8).



Рисунок 8 - Блок-схема алгоритма построения системы контроля надежности сложных технических систем

Исследования опыта эксплуатации зарубежного и отечественного строительного оборудования показывает, что основной причиной частых отказов является износ их рабочих органов. Преждевременность отказов объясняется причиной интенсивного изнашивания низкоресурсных деталей в результате приготовления высокоабразивных строительных смесей (с кусковатым заполнителем - доменным шлаком, гранитом, базальтом и др.).

Применительно к составным рабочим элементам строительного оборудования бетоносмесительного производства вопросы теории конструкционной износостойкости являются определяющими направлениями повышения их долговечности, эксплуатационной надежности и работоспособности. Решение этой проблемы осуществляется на основе изучения физических процессов изнашивания в большинстве случаев плоскостных криволинейных рабочих поверхностей.

Для определения интенсивности изнашивания рабочих элементов строительных смесителей (интенсивность изнашивания определяется отношением реальной скорости изнашивания к скорости изнашивания, установленной заводом-изготовителем) произведена классификация (таблица 2) существующих рабочих смесей (растворов и бетонов), с которыми они взаимодействуют. При этом в качестве крупного заполнителя применяют гравий (естественный материал) или щебень. Такой заполнитель должен обладать высокой прочностью и ударной вязкостью

Таблица 2 - Классификация растворов и бетонов

Вид бетона	Плотность, кг/м3
По плотности
Особо тяжелые	Более 2500
Тяжелые (обычные)	1800…2500
Легкие и ячеистые	500…1800
Особо легкие	Менее 500
По структуре составляющих и «упаковке»
Структура бетона	Заполнитель, мм
Камнебетон	До 300
Крупнозернистый	10…150
Плотный - мелкозернистый	До 10
Песчаный	До 5
По размерам фракций крупного заполнителя
Состав бетона по крупности заполнителя	Наибольшая крупность заполнителя, мм
	для гравия	для щебня
Песчаный	45…50	35…40
Мелкозернистый	60…65	55…60
Крупнозернистый	70…75	60…65
Камнебетон	110…120	90…100



Щебень из гравия должен содержать дробленых зёрен не менее 80% по весу. Они не должны, как правило, содержать зерен пластинчатой (лещадной) и игольчатой (длина превышает толщину или ширину в 3 раза и более) формы более 15% по весу.

Зерновой состав бетонных и растворных смесей, продолжительность их перемешивания обеспечивают достаточно высокие гарантированные параметры по прочности и эксплуатационной надежности зданий и сооружений. В то же время эти факторы влияют на надежность (износ) рабочих органов строительного оборудования.

Для монолитного высотного строительства зданий, плотин гидроэлектростанций, специальных хранилищ и др. под высокопрочными (ВП) и особопрочными (ОП) бетонами понимают легко укладываемые бетоны на гидравлических вяжущих, сочетающие высокие показатели прочностных свойств (классы по прочности на сжатие от В 40 до В 90, что соответствует маркам по прочности М600…М1200 и более) и темпов твердения (прочность в возрасте суток естественного твердения не менее 25…30 МПа) с требуемыми показателями строительно-технических свойств (водонепроницаемость - W 12 и выше, морозостойкость - F 400 и выше, истираемость - не более 0,3…0,4 г/см², водопоглощение - 1,0…2,5 мас. %).

Для снижения интенсивности внезапных отказов и повышения надежности функционирования смесителей предложена классификация по сложности состава бетонов, применяемых для возведения прочных, химически стойких и других сооружений и зданий на базе особопрочных бетонов.

При этом уникальность и защищенность таких сооружений характеризуется их коэффициентом сложности Щ:

Щ = 1 - L; (3)



где L - обобщающий коэффициент различия заполнителей рабочей среды

(4)

где - соответственно коэффициенты размера зерна заполнителя, твердости зерен и времени возведения объекта.

Эти коэффициенты можно определить по формулам:

(5)

где D_о и D_т - максимальный размер зерна заполнителя смеси, используемой в обычном строительстве (D_о = 40 мм) и в ВП, ОП бетонах, мм;

Т_о и Т_т - максимально возможная твердость зерна заполнителя смеси, используемой в обычном строительстве (Т_о = 3,5 МПа) и в ВП, ОП бетонах, МПа;

t_o, t_т - сроки строительства в обычных условиях и при монолитном строительстве (так как данную величину невозможно определить, то объективно будет считать, что t_o > t_т, и отношение t_о / t_т примем равным 1,05).

После подстановки выражений (4)…(5) в уравнение (3) коэффициент сложности примет следующий вид:

(6)

Зависимость интенсивности изнашивания от сложности объекта строительства i (Щ) = 1 / (1 - Щ) с графической интерпретацией, приведенной на рисунке 9.



Рисунок 9 - Зависимость интенсивности изнашивания рабочих элементов технологического оборудования от сложности объектов строительства:

1 - теоретическая кривая интенсификации изнашивания;

2 - экспоненциальная кривая аппроксимации

Предложенная классификация сложности объектов строительства позволяет установить причинно-следственные связи возникновения повышенной интенсивности изнашивания. Это дает возможность разработать физико-математическую модель взаимодействия абразивной среды с рабочими органами строительных смесителей для заданных условий.

Исследование механизма ударно-абразивного изнашивания определяется как структурно-фазовым состоянием и их физико-механическими свойствами, так и условиями внешнего силового воздействия на них (углом атаки, скоростью потока, размером абразивных частиц). При различных схемах взаимодействия потока абразива с поверхностью изнашиваемого металла (при различных углах атаки) различны и механизмы изнашивания.

Воздействие абразивной среды на поверхность металла рабочего органа смесителя, который динамически изменяет свое положение в пространстве, происходит по двум механизмам (рисунок 10).



Рисунок 10 - Механизмы взаимодействия абразивного заполнителя на поверхности металла рабочих органов смесителей

Оба механизма взаимодействия будут различны, поэтому для выявления области наибольшей интенсивности взаимодействия рассмотрена механика движения потока смеси при перемешивании.

Более 50 % массы бетонного раствора, с которой контактируют рабочие органы, состоит из жидкого (вода) и твердого вещества (песок, щебень, цемент и добавки), где разница между максимальным и минимальным размерами частиц не превышает 10% . Их воздействие на поверхность рабочего органа происходит под собственным давлением раствора Р (рисунок 11).

Рисунок 11 - Воздействие абразивных частиц на рабочий орган

Применение методов фрактологии к исследованию ударно-абразивного изнашивания позволили обосновать физические процессы взаимодействия частиц с обрабатываемой поверхностью и построить физические и математические модели. Аналогично решается задача для внедрения абразивной частицы неправильной формы в обрабатываемую поверхность (рисунок 12), причем 10 % всех выемок имеют форму, приближающуюся к сферической (рисунок 12, а), а остальные 90 % - форму, приближающуюся к треугольной (каплевидной) и прямоугольной (рисунок 12, б, в).

Рисунок 12 - Виды форм лунок в зависимости от угла атаки абразивной частицей:

а) сферическая при = 90; б) каплевидная при б = 45⁰;

в) прямоугольная при 30;

1 - зона удара; 2 - навалообразование; 3 - зона разрушения частицы

Рассмотрим физические процессы взаимодействия спиралеобразных лопаток лотковых одновальных смесителей отечественного производства (БСМ 26-0,5) и зарубежных аналогов («ELBA») с рабочей (ударно-абразивной) средой. В результате перемешивания бетонорастворной смеси основная масса крупных фракций концентрируется в центре смесителя и под действием силы тяжести F_т оседает на дно емкости (рисунок 13). При этом данный процесс является цикличным. Следовательно, основной износ поверхности происходит тогда, когда рабочий орган проходит нижнюю часть смесителя.



Рисунок 13 - Схема движения потока раствора и частиц крупных фракций

Величины сил, действующие на рабочий орган смесителя (рисунок 14), определяются следующими выражениями:

dF₁ = dF cosг, dF₂ = dF sinг; (7)

dF₃ = dF cosб · cosг, dF₄ = dF sinб · cosг; (8)

dF = 2mV · cosг · dt. (9)

Из выражения (9) видно, что воздействующие силы зависят от векторной суммы скоростей лопатки и абразива V и угла ее наклона г, а соответственно и подводимая частицей энергия, количество которой и будет устанавливать характер процесса съема металла с поверхности рабочего органа.

Рисунок 14 - Схема действия сил на рабочий орган смесителя (БСМ 26-0,5):

а) схема лопасти; б) многоугольник сил;

dF₁ - усилие, направленное параллельно оси вала смесителя (составляющая усилия dF);

dF₂ - усилие, направленное перпендикулярно оси вала

(радиальная сила, составляющая усилия dF);

dF₃ - аксиальное усилие (составляющая усилия dF₁);

dF₄ - окружное усилие (составляющая dF₁);

V - результирующая скорость (сумма скоростей лопасти и абразива)

Если динамическую модель взаимодействия тел строить относительно какой-либо точки на поверхности лопасти (лопатки), то подводимая энергия, рассчитывается следующим образом:

(10)

где m - масса абразивной частицы, кг;

V - векторная сумма скоростей абразивной частицы и лопатки, м/с;

- вектор скорости точки на плоскости лопатки, м/с;

- вектор средней скорости абразивной частицы, м/с.

В третьей главе предложена методика прогноза-аналитической оценки технического состояния машин оборудования природообустройства

Функционирование технологического оборудования при строительстве сложных объектов происходит под постоянным действием факторов внешней среды, имеющих случайный характер (природно-климатические условия, уровень запыленности воздуха, уровень вибрации и др.), а также возникающих внезапных возмущений, отказов, неисправностей и повреждений.

Такие явления обусловливают случайный характер вектора параметров технического состояния и могут быть отражены динамической моделью (рисунок 15), построенной по принципу «ВХОД > ИССЛЕДУЕМАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА > ВЫХОД».



Рисунок 15 - Модель взаимодействия факторов с эксплуатационными показателями машин и технологического оборудования в сфере строительного производства

Математическое моделирование процесса изменения годности рабочих элементов

Математическая модель оценки годности элементов является следствием теоретических исследований изменения их технического состояния и формализации процесса с требуемой степенью приближения к действительности.

Представим усредненную оценку годности составных элементов смесителей (Е_?) в виде:

или (11)

где m, n - число соответственно конструктивных и неконструктивных элементов; С_i и С_j - стоимость соответственно i-го конструктивного элемента (детали) и j-го неконструктивного элемента (материала, регулировки), руб.;

С_У - стоимость новой детали, руб.;

ц_i и ц_j - годность соответственно i-го конструктивного и j-го неконструктивного элемента

При установлении количества деталей, годных для дальнейшего использования, необходимо принять во внимание, что долговечность деталей варьируется в силу их неравнопрочности в широких пределах от нескольких часов до нескольких десятков лет. При этом

(12)

(13)



При этом установлено, что для машин и технологического оборудования, применяемых в условиях строительства сложных объектов, данная функция имеет вид (рисунок 16):

(14)

где л₁ и л₂ - параметры распределения.

Рисунок 16 - График функции (14)

Следовательно, годность деталей машин и технологического оборудования представляет собой часть единичного объема (V) функции распределения плотности вероятности f (Д, N), заключенного внутри тела, поверхность которого описана уравнением (14).

Изменяя при регламентном техническом обслуживании и ремонте допускаемые значения параметров, можно управлять техническим состоянием быстроизнашивающихся рабочих элементов и деталей сложных технических систем в эксплуатационный период, прогнозируя их безотказность, межремонтный ресурс, минимальные удельные затраты (издержки), полнее использовать ресурс и получать производственный эффект от эксплуатации. При этом значения эксплуатационных параметров для управления их ресурсным состоянием становятся исходными данными, систематизированными по агрегатам, сборочным единицам, соединениям и деталям с учетом иерархических уровней.

В четвертой главе разработаны и исследованы технологические методы повышения долговечности рабочих элементов машин и оборудования природообустройства.

Таблица 3 - Среднестатистические данные по группам элементов бетоносмесителя, подверженных износу и отказам

Группа элементов Вi	Весовая оценка qi
Электродвигатель привода (В1)	0,0550
Ременная передача привода (В2)	0,0709
Редуктор привода (В3)	0,0613
Цепная передача привода (В4)	0,1438
Держатели рабочих органов (В5)	0,0696
Рабочие органы - лопатки (В6)	0,1732
Листы бронефутеровки емкости (В7)	0,1661
Шиберная заслонка разгрузочного устройства (В8)	0,1508
Реле управления и контроля системы автоматики (В9)	0,0441
Контакторы и концевые выключатели автоматики (В10)	0,0652

Для подтверждения результатов теоретических исследований определены основные задачи экспериментальных исследований и проведено планирование экспериментов (рисунок 17).



Рисунок 17 - Планирование экспериментальных исследований

Результаты комплексных натурных испытаний бетоносмесительных машин в реальных условиях их эксплуатации на ряде строительных объектах позволили выявить наиболее подверженные износу и отказам элементы бетоносмесителей (таблица 3).

Анализ графика и диаграммы для групп элементов (рисунок 18), построенных по данным таблицы 3, позволяет утверждать, что наиболее изнашиваемыми, лимитирующими ресурс бетоносмесителей, являются рабочие органы - лопатки и лопасти (В₆), листы бронефутеровки емкости (В₇) и шиберная заслонка разгрузочного устройства (В₈).