Исследование и разработка плазменных технологий для повышения работоспособности машин и агрегатов бытовой техники и жилищно-коммунального хозяйства

Особенностью модели современного общества с развитой стабильной экономикой является оптимальное соотношение между материальным производством и сферой сервиса, так как расширение сферы сервиса есть не только результат, но и важный фактор роста материального производства, социального и духовного прогресса общества в целом.

В последние десятилетия в развитых странах мира сфера сервиса развивается быстрее материального производства, к настоящему времени она выросла в крупнейший сектор экономики. Даже без транспорта и связи на сферу услуг в США приходится около 70% работающих, в Великобритании, Франции, Японии, Германии — 60% и выше. В США доля капиталовложений в сферу услуг, в общем их объеме (без расходов на жилищное строительство) находится на уровне 30%, в Великобритании- 40%.

Долговременная тенденция опережающего роста сферы сервиса становится определяющей в современном обществе. Глубокая структурная перестройка реального сектора экономики и его интенсификация не только не замедлили этот процесс, а наоборот, усилили его, создав новые стимулы к сбалансированному развитию двух секторов хозяйства, обеспечив переход к формированию нового качества жизни и качества рабочей силы. Целесообразно выделить в сфере услуг следующие различающиеся по функциональной направленности сектора:

— Услуги, ориентированные на производство;

— Услуги, ориентированные на обслуживание населения;

— Услуги, ориентированные на домашнее хозяйство;

В чистом виде немного видов услуг, которые формируют исключительно данный по функциональной направленности сектор услуг. Так, к услугам, ориентированным на производство относятся услуги по техническому обслуживанию, наладке, настройке и ремонту производственного оборудования и технических систем. Сюда могут быть отнесены услуги по ремонту оборудования и снабжению материально-техническими ресурсами сферы бытового обслуживания населения и различные услуги производственной инфраструктуры (жилищно-коммунальное хозяйство, дороги, мосты, подъездные пути и т. д.).

Эти виды услуг в настоящее время являются наиболее значимыми в связи с большим объемом импортной техники, нуждающейся в наиболее рациональных методах ремонта и существенном продлении срока службы оборудования сервиса.

Актуальность исследования. Использование плазменных технологий в машиностроении, в дорожно-строительной и сельскохозяйственной технике, добывающих отраслях промышленности, в городском и коммунальном хозяйстве вызывает в настоящее время повышенный интерес.

Наиболее перспективными применениями плазменных технологий в настоящее время являются:

— плазменное напыление покрытий различного функционального назначения (износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие, восстанавливающие первоначальные размеры детали и др.) — - плазменная поверхностная обработка материалов (оплавление, плазменная наплавка, поверхностное модифицирование, плазменная строжка и др.) — -плазменная резка металлических и неметаллических материалов.

Основными достоинствами плазменных технологий являются высокие о II 2 плотности потоков энергии, достигающие 10 -10 Вт/м, что позволяет за время нескольких микросекунд достигать на поверхности детали температур, превышающих температуру плавления. При этом, широкая возможность регулирования температуры, скорости, давления и химической активности среды в зоне обработки от нейтральной до восстановительной или окислительной, позволяет наиболее полно использовать уникальные возможности плазменной технологии.

Переход на воздушное плазменное напыление позволил разработать экономически выгодные процессы упрочнения и восстановления деталей для дорожно-строительной, автомобильной и сельскохозяйственной техники, газонефтедобывающей промышленности, городского и коммунального хозяйства, а также в ряде других отраслей.

В настоящее время из-за резкого удорожания горючих газов возросла актуальность плазменной резки металлов в заготовительных производствах и особенно при разделке металлических изделий в лом.

По сравнению с ацетилен-кислородной резкой металлов, воздушная плазменная резка более чем в 10 раз производительнее и в 6 раз экономичнее.

Следовательно, нанесение упрочняющих и защитных покрытий, а также резка металлов и утилизация металлического лома с наибольшей I эффективностью может быть решена с помощью использования плазменных технологий.

Преимущества этих технологических процессов заключаются в экономичности, возможности наносить различные по назначению и составу покрытия, сравнительной простоте управления энергетическими характеристиками плазмы, использовании в качестве рабочих газов воздуха и регулируемым термическим воздействием на обрабатываемую деталь.

Однако, в промышленном сервисе плазменные технологии пока еще не нашли должного применения. Это связано в первую очередь с недостаточной информированностью работников промышленного сервиса с возможностью и экономической эффективностью плазменных технологий.

В городском и жилищно-коммунальном хозяйстве большое количество оборудования различной сложности выходит из строя по причине износа отдельных, наиболее нагруженных деталей, коррозии деталей, потери теплоизоляционных свойств узлов оборудования теплоснабжения и др.

Многие рабочие параметры машин и технологического оборудования в жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ) определяются состоянием поверхностного слоя, поэтому использование дефицитных и дорогих конструкционных материалов во всем объеме изделия нецелесообразно, а в некоторых случаях невозможно. Это является стимулом для усовершенствования существующих и разработки новых технологий и материалов, отличающихся повышенными эксплуатационными характеристиками.

Одним из путей по увеличению ресурса деталей является нанесение на их поверхность износостойких покрытий. Совершенствование существующих и создание новых способов нанесения покрытий, изучение их структуры и свойств, разработка новых составов материалов является актуальной задачей.

В настоящее время, как в Российской Федерации, так и за рубежом, для повышения износостойкости поверхностей деталей все больше получают распространение экологически чистые плазменные технологии нанесения износостойких покрытий. Однако эти покрытия не всегда полностью отрабатывают свой ресурс из-за преждевременного адгезионно-когезионного разрушения, вызываемого как эксплуатационными нагрузками, так и сложным напряженным состоянием, возникающем в покрытии и на границе раздела покрытие-подложка из-за остаточных напряжений, обусловленных различием коэффициентов термического расширения разнородных материалов.

Одним из путей повышения адгезионно-когезионной прочности покрытий во многих случаях является нанесение покрытий с последующим их оплавлением плазменной струей, что обеспечивает плавный переход физико-механических свойств покрытия от поверхности к подложке.

Таким образом, решение проблем повышения эффективности, надежности и качества функционирования городского и жилищно-коммунального хозяйства в области жилищного, водопроводно-канализационного хозяйства, коммунальной энергетики, городского электротранспорта, дорожных служб, защиты подземных сооружений от коррозии является весьма актуальной задачей.

Цель и задачи исследования

Цель работы состояла в увеличении ресурса работы деталей и оборудования городского и жилищно-коммунального хозяйства за счет нанесения на их поверхность износостойких покрытий формируемых методом плазменного напыления. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка теоретических основ формирования износостойких покрытий:

• Анализ технологических способов и определение рационального метода нанесения покрытий на единичные, мелкосерийные и серийные детали;

• Разработка методик расчета технологических режимов нанесения покрытий;

2. Экспериментальные исследования влияния режимов напыления на свойства покрытий и эксплуатационные характеристики деталей;

3. Разработка технологии и оборудования для упрочнения и восстановления изношенных деталей.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Проведен анализ методов нанесения износостойких покрытий с точки зрения технических, технологических и экономических характеристик.

2. На основе проведенного анализа впервые предложена методика аналитического выбора наиболее рационального метода нанесения восстанавливающих и упрочняющих покрытий на единичные, мелкосерийные и серийные детали.

3. Разработана методика выбора режимов напыления, позволяющая в десятки раз сократить время разработки технологического процесса упрочнения и восстановления изношенных деталей.

4. Предложена аналитическая методика расчета режимов оплавления напыленного покрытия воздушной плазменной струей, существенно сокращающая себестоимость восстановленных деталей ЖКХ.

5. Экспериментально изучены физико-механические свойства покрытий в зависимости от режимов напыления.

Практическая значимость работы. 1. Разработаны способы получения износостойких покрытий на детали и оборудование городского и ЖКХ. 2. Разработанные аналитические методики выбора наиболее рационального метода (в зависимости от серийности восстанавливаемых деталей), а также методики выбора режимов напыления и оплавления позволяют технологу сократить время разработки конкретных технологических процесса в 7- 10 раз. 3. Предложены составы порошковых композиций для восстанавливаемых деталей (Патент РФ на изобретение № 2 130 506. БИ. № 14,1999.).

4. Разработаны: структура, состав, изготовлены и внедрены опытные стационарные и мобильные плазменные воздушно-плазменные установки с микропроцессорным управлением.

5. Разработанные технологические процессы позволили: в 2.4 раза повысить контактную прочность напыленного покрытия, создать высокопрочные (атах = 300 МПа), антифрикционные (fTp = 0,01 .0,038), износостойкие (1= 3,2*10) мм/час покрытия.

Достоверность результатов исследования. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием современных контрольно-измерительных приборов и аппаратуры, одобрением научной общественности, практической реализацией и внедрением разработанных научных и технических решений.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 6 Российских, международных и отраслевых конференциях и семинарах. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ и получено два патента РФ на изобретение. В первой главе выполнен анализ условий эксплуатации и причин потери работоспособности узлов машин и агрегатов бытового назначения и оборудования городского и жилищно-коммунального хозяйства, указаны причины, влияющие на ресурс их работы.

Анализ работы технологического оборудования проведен по основным подотраслевым группам, к которым относятся: швейное производство, обувное производство, производство химической чистки и прачечных, трикотажное производство, оборудование городского и жилищно-коммунального хозяйства, оборудование дорожно-строительных служб и т. п.

Во второй главе представлены теоретические исследования по разработке математических моделей выбора рационального технологического процесса восстановления деталей, выбору режимов нанесения покрытия, модели расчета оплавления покрытия плазменной струей.

Поскольку при выборе метода напыления необходимо учитывать конструктивные, технологические, производственные, эксплуатационные и экономические показатели, обязательным условием выбора наиболее рационального варианта является комплексный подход.

В третьей главе описаны экспериментальные методики, с помощью которых проводились экспериментальные исследования.

Одно из главных свойств покрытий — прочность сцепления с основой.

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования влияния режимов напыления на свойства покрытий и деталей с покрытиями.

Установлена зависимость свойств покрытий с температурой напыляемых частиц.

В пятой главе, представлены результаты внедрения разработок.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность кандидату технических наук, доценту Буткевичу М. Н. за помощь и постоянное внимание к диссертационной работе, доктору технических наук, профессору Ставровскому М. Е., оказавшим активную творческую поддержку автору на всех этапах выполнения работысотрудникам лаборатории плазменных технологий Дмитровского филиала МГТУ им. Н. Э. Баумана, сотрудникам других лабораторий институтов и организаций, принимавших участие в обсуждении и внедрении результатов работы.

Общие выводы по работе.

1. Анализ изнашивания деталей бытовой техники показал, что подавляющее большинство их имеют форму тел вращения, причём у 83% наблюдается износ до 0,6 мм. Для восстановления деталей с таким износом рабочих поверхностей наиболее приемлем с точки зрения экономичности и производительности метод плазменного напыления покрытий.

2. На основе решения дифференциального уравнения теплопроводности с учётом изменения фазового состояния частиц создана методика расчёта режимов напыления. При расчёте температуры частиц использован метод конечных приращений, что позволило определить распределение температуры по радиусу частиц и рассчитать нагрев плакированных частиц.

3. Разработана методика выбора наиболее рационального метода восстановления изношенных деталей, учитывающая номенклатуру и объемы восстанавливаемых деталей.

4. С использованием результатов проведённых исследований разработаны и внедрены технологические процессы восстановления деталей городского и коммунального хозяйства. Ресурс работы восстановленных деталей увеличился в 1,8.2,4 раза. Экономический эффект от внедрения составил 178 тыс. рублей.

5. В результате проведенных исследований разработан рациональный состав порошкообразного материала, обеспечивающий высокую износостойкость и существенное повышение ресурса восстановленных деталей. Наиболее высокой (в 3,5 раза) износостойкостью по сравнению с закаленной сталью 45 обладает композиция порошков: ПГ-ФБЮ-1−4 (73%) + ПР-Н70Х17С4Р4 (23%) + А1 (4%). Этим составом порошкообразного материала можно наносить слои значительной толщины до 3 мм без пор и трещин.

6. Внедрение плазменных покрытий позволило: увеличить ресурс работы деталей в 1,8.2,0 раза по сравнению с деталями без покрытий при обеспечении повышения производительности ремонта машин на 35.40%- снизить стоимость их восстановления на 30.40% и улучшить эксплуатационные параметры.

7. На основе выполненных исследований разработана и внедрена мобильная установка с микропроцессорным управлением для воздушно-плазменного напыления покрытий, обеспечивающая точность управления процессами плазменного напыления защитных и восстанавливающих покрытий, а также повторяемость режимов технологического процесса не более 7%.

8. Внедрена технология упрочнения рабочих лопаток асфальто и бетоносмесительных машин воздушно-плазменным напылением износостойких покрытий с последующим их оплавлением в ремонтные подразделения организаций специального и дорожного строительства Российской Федерации с годовым экономическим эффектом в размере 286,7 тыс. рублей.