Використання мастильних матеріалів при технічному обслуговуванні фермських машин

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета, задачі, предмет і об'єкт дослідження, наукова новизна та практична значимість роботи.

У першому розділі «Аналіз стану технічного обслуговування і ремонту фермських машин» розглянуто умови роботи фермських машин і обладнання, проаналізовано сучасні системи та режими їх технічного обслуговування і ремонту (ТОР), номенклатуру та періодичність використання мастильних матеріалів.

Специфікою експлуатації фермських машин і обладнання є безперервне їх утримання в стані високої технічної готовності, яка значною мірою залежить від своєчасного і високоякісного проведення всіх заходів ТОР.

Дослідженнями Г.В. Веденяпіна, А.І. Селіванова, В.М.Міхліна, Н.В. Вишня-кова, С.С. Черепанова, Н.С. Пасечнікова та інших вчених зроблено вагомий внесок у розвиток системи ТОР. Завдяки їм у сучасній теорії ТОР визначальну роль відіграють попереджувальні заходи, які проводяться за даними перевірки технічного стану (поточної діагностики) машин. Встановлено, що найбільш ефективною є стратегія ТОР за технічним станом із періодичним або безперервним контролем чи діагностикою. Виявлено, що для фермських машин і обладнання діагностика не має широкого застосування, оскільки недостатньо розроблені методи і засоби її проведення. А ті що є - неприйнятні для фермських машин або за цільовим призначенням, або за складністю та великою вартістю.

Дослідженнями Б.І. Костецького, І.В. Крагельського, Р.М. Матвеєвського та інших вчених встановлено, що підбір матеріалів пар тертя і правильний вибір для них мастильних матеріалів, конструктивне оформлення вузлів тертя та умови експлуатації визначають ефективність роботи механізмів та машин, дозволяють підвищити їх надійність та довговічність і забезпечують задану працездатність вузлів тертя протягом установлених термінів експлуатації. Крім того, оптимізація умов змащування вузлів тертя є перспективним і економічним шляхом підвищення надійності цих вузлів.

Огляд літератури, присвяченої ТОР машин для тваринництва, а також аналіз умов їхньої роботи показали, що ефективність ТО значною мірою залежить від режиму змащування. Аналіз наукової інформації з питань старіння мастильних матеріалів показав високу вивченість цих процесів у двигунах і сільськогосподарських машинах, проте стосовно фермських машин вони недостатньо розглянуті. Відсутні також методи і практичні критерії для комплексної оцінки робочого стану мастильних матеріалів. Вивчення заводських інструкцій з експлуатації машин та обладнання для тваринництва дозволяє стверджувати, що приведені в них рекомендації щодо мащення не завжди однозначні і достатньо обґрунтовані.

У зв'язку з відміченим станом виникає необхідність у дослідженні причин та характеру спрацювання мастильних матеріалів, обґрунтуванні критеріїв і кількісній оцінці величини спрацювання, визначенні раціонального терміну їх використання та необхідного режиму ТО фермських машин.

У другому розділі «Теоретичні передумови оцінки стану мастильних матеріалів» наведені результати аналітичних досліджень спрацьованості мастильного матеріалу та визначення стану мастильного матеріалу за вибігом маховика.

При експлуатації машин під дією різних факторів технічного стану вузлів тертя та зовнішнього середовища властивості мастильних матеріалів помітно погіршуються. Досліджувати процес старіння мастильних матеріалів за кожним показником, який впливає на цей процес, надто складно, тому постає необхідність прийняти комплексний показник якості мастильного матеріалу k як сукупність впливу всіх показників.

Посилаючись на загальну теорію старіння, розроблену професором Селівановим А.І., можна допустити, що вплив усіх факторів, які формують комплексний показник якості мастильного матеріалу, в процесі нормальної експлуатації має лінійний характер:

k = k₀ - a t, (1)

де k₀ - початкове значення комплексного показника якості;

a - середня інтенсивність зміни показника від напрацювання;

t - напрацювання мастильного матеріалу.

За умови, що комплексний показник якості мастильного матеріалу (k) має лінійний вплив на інтенсивність зношування деталей (i), можна проводити інтерполяцію від початкового k₀ до граничного значення k_lim в координатах (k, i).

З порівняння фактичного k_ф і граничного k_lim значень комплексного показника якості можна визначити ступінь використання ресурсних можливостей мастильного матеріалу:

=(k₀-k_ф)/(k₀-k_lim)

і прогнозувати його залишковий ресурс R (рис. 1):

R = t_lim - t_ф.

Реальні значення показника k від часу роботи мають деяке розсіювання. Тому середній залишковий ресурс і довірчий його інтервал з урахуванням упереджувального ризику (t) визначається за формулою:

R = t_lim - t_ф - t

Умова (5) набуває характеру:

k'(t) const, k» (t) 0

Причинами цього є досягнення граничних змін окремими фізико-хімічними параметрами і критичні ефекти їх взаємодії. Саме цей момент і слід вважати граничним станом мастильного матеріалу та сигналом про недоцільність подальшого його використання.

Для практичного визначення інтенсивності зменшення комплексного показника встановлюють дві точки з відомими значеннями (k₁, k₂),

k'(t) = (k₁ - k₂)/(t₂ - t₁).

Прискорення зміни показника k визначається як мінімум за трьома точками з відомими його значеннями (k₁, k₂, k₃) в часі (відповідно t₁, t₂, t₃). Тоді інтенсивність його зміни:

або

В інтервалі часу, коли прискорення k» (t) 0, комплексний показник досягає граничного рівня k_lim.

Граничне значення за другим варіантом визначається за максимальним значенням комплексного показника якості мастильних матеріалів, що знаходяться в критичному стані за одним із фізико-хімічних або триботехнічних показників.

Для характеристики функціонального стану мастильних матеріалів обґрунтовано показники вибігу (кількість обертів і час вибігу), які оцінюють сумарні витрати енергії на подолання тертя кочення або ковзання в підшипнику, внутрішнього тертя в рідині при перемішуванні і зовнішнього тертя поверхонь тіл обертання в оточуючому середовищі. Вплив кожної складової загального тертя на показники вибігу оцінюються експериментально.

Вибіг маховика лабораторної установки - це енергетичний процес, на показники якого впливають, насамперед, інерційність та рівень механічних втрат рухомої системи. У свою чергу, інерційність залежить від маси маховика, його геометричних та швидкісних параметрів, а механічні втрати - від коефіцієнту тертя, навантаження, температури тощо.

Приведений момент сил тертя має вигляд:

,

де G - навантаження на вузол тертя, Н;

r - середній радіус бігової доріжки підшипника, м;

f - приведений коефіцієнт тертя, є величиною змінною і залежить від кутової швидкості .

Для аналізу вибігу від ₀ до повної зупинки введемо значення середнього коефіцієнту тертя f_ср, тоді:

,

де - кут повороту маховика; d/dф= - кутова швидкість; d²/dф²= - кутове прискорення.

Після розв'язання цього рівняння при початкових =0, =₀, ц=0 будемо мати: - час до повної зупинки:

;

- кут повороту маховика:

.

Кількість обертів до повної зупинки маховика визначається відношенням:

,

звідки середній коефіцієнт тертя f_ср дорівнює:

або .

Таким чином, отримані значення середнього коефіцієнту тертя обумовлюють загальний рівень витрат енергії на подолання тертя в підшипнику в процесі вибігу маховика. При використанні у вузлі тертя різних за якістю та робочим станом мастильних матеріалів значення коефіцієнтів тертя будуть змінюватися, а отже і показники вибігу теж будуть різними. Відмічена закономірність дає змогу застосовувати показники вибігу як діагностичний параметр фактичного стану мастильного матеріалу.

У третьому розділі «Програма і методика експериментальних досліджень» наведені програма та методики досліджень, обґрунтовані критерії оцінки функціонального стану мастильних матеріалів, описані експериментальні установки та вимірювальна апаратура.

До програми досліджень включено встановлення залежності показників вибігу від впливових факторів; визначення зміни функціонального стану мастильних матеріалів від умов експлуатації та напрацювання; проведення кількісної оцінки граничного стану спрацювання мастильних матеріалів.

У лабораторних умовах досліджували фізико-хімічні властивості мастильних матеріалів (в'язкість, вміст домішок і води), триботехнічні характеристики (показник зношування Dз та критичне навантаження Рк), залежність показників вибігу від навантаження, температури, швидкості обертання маховика і напрацювання мастильних матеріалів. В експлуатаційних умовах визначали режими роботи фермських машин (на прикладі кормоприготувальних, роздавачів кормів, засобів видалення гною) та мастильних матеріалів, зміни показників вибігу від напрацювання мастильних матеріалів, ресурсні можливості певних марок мастильних матеріалів і шляхи подовження терміну їх використання та забезпечення надійної роботи машини, обсяги робіт з ТО.

Для проведення досліджень було створено випробувальний комплекс, який складався з комп'ютера, перетворювача, однієї або декількох лабораторних установок і допоміжних інструментів та проб мастильних матеріалів.

Електронна схема призначена для утворення електричних сигналів і передачі їх від оптичних датчиків до комп'ютера без витрат енергії маховика. Для підвищення точності експерименту нами використано оптичні датчики - світло - та фотодіоди, які працюють в інфрачервоному спектрі і не впливають на процес вибігу. Навантаження вузла тертя забезпечується зміною маси маховика.

Установки працюють так. На поверхні тертя ретельно вимитих та висушених підшипників наносять фіксовану кількість досліджуваного мастильного матеріалу. Потім збирають установку і з'єднують з комп'ютером. Маховик розганяють до заданої швидкості обертання електродвигуном 8 через роз'ємну муфту 7. Контроль параметрів швидкості здійснюють за допомогою комп'ютера і оптичного реєстратора 6. При досягненні заданої швидкості маховика роз'ємною муфтою 7 відключають електропривод 8 і маховик 3 пускають у вільний вибіг. При цьому комп'ютер реєструє всі параметри вибігу. Маховик поступово зменшує швидкість обертання до повної зупинки. Реєстрацію параметрів вибігу комп'ютер починає автоматично відповідно до розробленої програми при досягненні заданої початкової частоти обертання _п і закінчує при досягненні контрольної кінцевої частоти обертання _к або після повної зупинки маховика.

Одного вузла тертя скорочує час випробувань за рахунок спрощення розбирання - складання і настроювання та підвищує точність випробувань; забезпечується самовстановлення маховика; зручність і простота обслуговування конструкції.

При проведенні досліджень з вузлів фермських машин безпосередньо після їх зупинки було відібрано проби мастильних матеріалів з певним напрацюванням (від 20 до 3270 годин) відповідно до стандартної методики (ГОСТ 2715-85) за допомогою шприців із насадками.

Оцінку опору повітряного середовища при обертанні маховика проводили на лабораторній установці з використанням надставок, виготовлених з різних матеріалів однакової маси і форми з різною площею поверхні, шляхом визначення залежності показників вибігу від площі бокової поверхні.

Витрати енергії на перемішування мастильного матеріалу у вузлі тертя лабораторної установки визначали шляхом поступового додавання визначеного об'єму мастильного матеріалу у вузол тертя.

Визначення залежності показників вибігу від впливових факторів (навантаження, температура, початкова швидкість обертання і термін напрацювання мастильного матеріалу) здійснювали методом планування активних багатофакторних експериментів. Отримані математичні моделі перевірялись на відтворюваність та адекватність.

Фізико-хімічні та триботехнічні показники визначали за стандартними методиками: в'язкість за ГОСТ 33-82, вміст механічних домішок за ГОСТ 6370-83, води за ГОСТ 2477-74, показник зношування та критичне навантаження за ГОСТ 9490-78.

Дослідження процесів спрацювання мастильних матеріалів проводили шляхом аналізу зміни показників вибігу для проб, відібраних із фермських машин та безперервно працюючої лабораторної установки.

У четвертому розділі «Результати експериментальних досліджень» проаналізовано стан використання та ТО машин для приготування і роздавання кормів, прибирання гною, характер відмов з причин їх мащення, наведено експериментальні дані і розроблено математичні моделі вибігу, дана кількісна оцінка ступеня спрацювання і встановлено граничні значення показників для різних мастильних матеріалів.

Аналіз використання фермських машин у 17 господарствах Сумської області показав, що в більшості з них обслуговуючий персонал ферм виконував переважно ремонт, а не обслуговування машин. Періодично проводили заходи з ТО лише у 8% господарств, внаслідок цього коефіцієнт технічної готовності фермських машин у цих господарствах досягає 0,85.. 0,90, тоді як в інших - лише 0,30.. 0,75. Періодичність заходів відхилялась від нормативної на 25 - 200%. У більшості господарств використовують скорочену до 1-2 марок номенклатуру мастильних матеріалів, не проводять заміну відпрацьованих мастильних матеріалів, а лише додають потрібну кількість нових або відпрацьованих моторних олив.

Спостереження за роботою олив ТАп-15В, Нігрол Л, І-40, І-50, М-8В, М-10В, М-10Г, М-12Г у вузлах однакових машин при подібних умовах їх експлуатації підтвердили достатню працездатність цих олив у межах нормативного терміну експлуатації. Серед них кращі показники вибігу мають оливи ТАп-15В, І-40 та І-50. Індустріальні оливи добре зарекомендували себе при роботі редукторів у неопалюваних приміщеннях та поза ними. Вони відносно стабільні і практично не утворюють водно-масляних емульсій при потраплянні вологи в редуктори. Крім того, оливи І-40 та І-50 задовільно зарекомендували себе відносно захисту деталей від корозії. Індустріальні оливи дешевші від олив з присадками, тому їх доцільно рекомендувати для використання всесезонно при змащуванні редукторів фермських машин. Солідоли забезпечують задовільні умови роботи вузлів тертя при температурах до 65-70С. Проте солідоли досить швидко видавлюються або витікають з розгерметизованих вузлів. Застосування в таких випадках мастильних матеріалів із вищою механічною стабільністю, наприклад, Літол-24, дозволяє збільшити період між їх замінами та надійність роботи вузлів.

Спостереження за роботою основних вузлів фермських машин у господарствах Сумської області, а також результати опитування майстрів-наладчиків фермської техніки свідчать, що основними відмовами з причин мащення (понад 75%) є підвищене зношування, задири, зварювання, заклинювання, перегрів і поломка деталей, кількість відмов з причин незадовільного мащення складає для ланцюгових передач - 57%, підшипників ковзання - 51%, відкритих зубчатих передач - 43%, підшипників кочення - 40%, закритих зубчатих передач - 22%.

Експерименти на лабораторній установці з надставками підтвердили нeзначний вплив опору повітря на процес вибігу маховика. Серед загальних витрат енергії маховика опір повітря складає 0,73-0,84%.

(навантаження, швидкість обертання, температура і термін напрацювання мастильного матеріалу), вивчення закономірностей і їх взаємозв'язку здійснювали за принципами системного підходу. Реалізація активного багатофакторного експерименту і наступна обробка дали лінійні рівняння регресії впливу навантаження (Р, Н), температури (Т, С), частоти обертання (щ, об/хв.) та терміну напрацювання (t_е, годин) на показники вибігу (наприклад, для ТАп-15В):

Z = -814,95 + 63,6746Р + 41,8396Т + 2,756 + 0,7695t_e - 1,6723PT - 0,078P - 0,0453Pt_e + 0,1097T - 0,0101Tt_e - 0,0005t_e,

t_v = 3,4123 + 12,286P + 14,9436T + 0,3051 + 0,1798t_e - 0,5367PT - 0,0104P - 0,0142Pt_e + 0,0121T - 0,0015Tt_e - 0,0001t_e.

Аналіз рівнянь підтверджує, що частота обертання і температура є найвпливовішими факторами та прямопропорційно пов'язані з показниками вибігу. Навантаження та термін напрацювання менш впливові і при зростанні спричиняють зменшення показників вибігу.

Частоту обертання прийнято постійною ₀ = 1000 об/хв. Так, для ТАп-15В:

Z = 1107,79 + 36,02P + 170,77T + 0,78t_e - 2,56PT - 0,07Pt_e - 0,018Tt_e

t_v = 207,04 + 8,72P + 29,37T + 0,19t_e - 0,67PT - 0,02Pt_e - 0,0021Tt_e

Для різних мастильних матеріалів отримано адекватні математичні моделі процесу вибігу маховика від чотирьох (Р, Т, щ, t_e) та трьох (Р, Т, t_e) керованих факторів, які можна використовувати для визначення фактичного стану і прогнозування залишкового ресурсу мастильних матеріалів із достовірністю 0,95-0,98.

Дослідженнями зміни в'язкості, динаміки забруднення домішками і водою мастильних матеріалів виявлено, що оливи можуть тривалий час працювати в редукторах без заміни. Тривалість їх роботи скорочується переважно із-за накопичення в них механічних домішок, води і часткового утворення органічних кислот. Тому подовження терміну експлуатації мастильного матеріалу можливе шляхом періодичного діагностування і проведення за потребою очищення (регенерації). Крім цього, з метою недопущення негативного впливу оточуючого середовища (проникнення у мастильний матеріал абразиву, води тощо) потрібно підтримувати герметичність вузлів тертя.

Дослідженнями зміни триботехнічних показників від напрацювання олив виявлено, що в процесі нормальної експлуатації зміна протизношувальних характеристик відбувається повільно з поступовим зниженням. При напрацюваннях олив більше 2000 годин погіршення їх протизношувальних властивостей суттєво прискорюється і досягає критичного рівня.

Кореляційний аналіз результатів експериментів виявив достатньо тісний зв'язок між показниками вибігу та фізико-хімічними і триботехнічними показниками (значення коефіцієнтів кореляції дорівнюють 0,89.. 0,98). Таким чином, можна зробити висновок, що показники вибігу для мастильних матеріалів у межах терміну використання пов'язані з фізико-хімічними та триботехнічними показниками лінійною залежністю, і їх можна використовувати для оцінки функціонального стану мастильного матеріалу в процесі експлуатації.

Для визначення характеру спрацювання мастильного матеріалу були проведені лабораторні та експлуатаційні експерименти. У лабораторії на підставі періодичних вимірів визначено зміну показників вибігу від терміну безперервної роботи установки з вертикальною віссю обертання (рис. 7). Початковий етап експлуатації характеризується швидким зростанням показників вибігу, що обумовлюється припрацюванням мастильного матеріалу в заданій системі тертя. Потім по казники стабілізуються і в подальшому поступово і монотонно знижуються. Таке зниження зумовлюють процеси спрацювання всієї системи.

Стабільні умови роботи експериментальної установки в лабораторії зумовлюють надто повільне погіршення властивостей мастильного матеріалу, тому паралельно було проведено експлуатаційний експеримент. На тваринницьких фермах дослідних господарств були підготовлені машини різного технологічного призначення (перебрані, промиті та заправлені свіжою оливою ТАп-15В, відрегульовані згідно технічних вимог). Потім вони працювали в звичайних для них умовах і режимах експлуатації. Стосовно кожного механізму реєстрували кількість відпрацьованих годин, і під час їх ТО відбирали проби мастил для оцінки показників вибігу. Тривалість експерименту розрахована таким чином, щоб простежити зміни стану мастила в межах гарантованого виробником строку придатності, а також після його закінчення.

За результатами аналізу понад 200 проб мастильних матеріалів була побудована узагальнена характеристика процесу спрацювання мастильного матеріалу.

Аналіз статистичних даних показав, що серед мастильних матеріалів, для яких показники вибігу були на рівні 70% і менше відносно еталону, близько половини проб знаходились в граничному стані, а з показниками вибігу на рівні 55% практично всі були у граничному стані. Використання мастильних матеріалів з показниками вибігу на рівні 60% від еталонного значення підтвердило, що швидкість зношування знаходиться на рівні аварійного спрацювання, а сам мастильний матеріал - в граничному стані.

Таким чином, за результатами проведених досліджень різких змін функціонального стану мастильних матеріалів не зафіксовано. При значних термінах експлуатації та глибокому старінні мастильного матеріалу спостерігались прискорене зношування деталей, підвищені витрати енергії, високі температури працюючих вузлів, підвищена шумність роботи. Виявлено, що серед марок використовуваних мастильних матеріалів найбільший термін напрацювання мають індустріальні оливи, менший - трансмісійні і найменший - моторні, але всі вони відпрацьовують встановлений у паспортах машин термін і не досягають при цьому свого граничного стану. Мастильні матеріали з присадками (зокрема, моторні і трансмісійні оливи) за наявності вільної води дуже швидко погіршують свої властивості, в той час як індустріальні несуттєво погіршують властивості і задовільно виконують задані функції. Припрацювання мастильного матеріалу у більшості машин відбувається за 4 - 20 годин роботи, при цьому значення показників вибігу збільшуються на 7-12% порівняно з новими і досягають максимальних значень. Прискорене погіршення показників вибігу характерне при їх зменшенні на 405%. Цей стан мастильного матеріалу можна вважати граничним.

У п'ятому розділі «Розробка рекомендацій, їх техніко-економічна оцінка і виробнича перевірка» опрацьовано рекомендації з оцінки робочого стану мастильних матеріалів і їх раціонального використання у фермських машинах, наведено результати їх виробничої перевірки в 17 господарствах Сумської області, причому тільки в 4 з них загальний річний економічний ефект склав 20 тис. грн.; визначено економічну ефективність діагностування мастильних матеріалів, яка за рік складає 2,13 грн. на 1 грн. витрат, пов'язаних із використанням діагностичного комплексу.

Скорочення номенклатури мастильних матеріалів з 18 до 5-6 марок спрощує організацію ТО машин і обумовлює більш ефективне використання виробничих площ як пересувних, так і стаціонарних пунктів ТОР фермських машин, зменшує витрати на забезпечення мастильними матеріалами та їх зберігання і збільшує продуктивність обслуговування машин бригадою майстрів-наладчиків.

Висновки

4. Порівняно з існуючими методиками оцінки якості мастильних матеріалів (за зміною в'язкості, за вмістом домішок і води тощо) новий метод має такі переваги: простота проведення випробувань, невелика кількість мастильного матеріалу (1-2 см³) для діагностування, невеликі витрати часу для діагностування (10 - 15 хв.) і достатня достовірність (95%) комплексної оцінки робочого стану мастильних матеріалів.

5. Основні зміни мастильних матеріалів у процесі експлуатації редукторів фермських машин, які спричиняють повільне погіршення їх якості, зумовлені накопиченням у них механічних домішок, води та продуктів їх хімічних перетворень. При напрацюванні до 2,5 тис. годин у мастильному матеріалі накопичується механічних домішок до 0,7%, води до 4%, в'язкість підвищується на 10 - 30%, показники вибігу зменшуються на 25-35%. Це підтверджує адекватність оцінки за показниками вибігу з існуючими методиками аналізу мастильних матеріалів.

6. Встановлено, що граничного стану спрацювання мастильні матеріали досягають, коли показники вибігу зменшуються на 35 - 40% від еталонного значення.

7. Одержані математичні моделі, які дозволяють прогнозувати ресурс різних марок мастильних матеріалів за даними оцінки їх фактичного стану.

8. Проведені експлуатаційні випробування підтверджують можливість скорочення номенклатури мастильних матеріалів для використання їх у фермських машинах і обладнанні. Рекомендується обмежитися індустріальними І-40 або І-50, трансмісійною ТАп-15В, моторною М-10В оливами, а також пластичними мастилами Солідол С або Ж, що спрощує забезпечення і використання в господарствах мастильних матеріалів, а також скорочує витрати на їх зберігання.

9. Діагностика мастильних матеріалів і заміна з урахуванням їх граничного стану в 4 господарствах Сумської області дозволили отримати річний економічний ефект 20 тис. грн. Ефективність діагностики складає 2,13 грн. на 1 грн. витрат на рік.

Список опублікованих праць

Размещено на Allbest.ru