СПОСОБ ВОЗРОЖДЕНИЯ МАШИН Российский патент 1998 года по МПК G01N3/56 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к проектированию, изготовлению, испытанию, эксплуатации, восстановлению и ремонту машин.

Предложенное техническое решение предусматривает повышение экономической эффективности производства и потребительских свойств машин и машинной продукции. Конкретность поставленной цели заключается в том, чтобы:
осуществить экономически чистое производство и использование машин и машинной продукции применительно к узлам трения, смазочно-охлаждающим (рабочим) жидкостям и обрабатываемым материалам;
исключить физическое старение машин, расход запасных частей, смазочно-охлаждающих, гидравлических и тормозных жидкостей (далее жидкостей) вместо изношенных деталей и непригодных для дальнейшей эксплуатации жидкостей, очистку жидкостей от абразивных загрязнений, сервисные затраты на поддержание машин в работоспособном состоянии, неэкологичные и дорогие эксплуатационные и технологические жидкости, неэкологичные и дорогие технологии диффузионных насыщений поверхностей трения для повышения износостойкости деталей, фирменные ограничения на продолжительность гарантированной изготовителем эксплуатации машин без замены изношенных деталей узлов трения и жидкостей;
уменьшить номенклатура и количество конструкционных материалов деталей пар трения и жидкостей;
упростить конструкции и технологии изготовления деталей, узлов и агрегатов;
обеспечить необходимую вязкость эксплуатационной жидкости в зависимости от скоростных нагрузочных и температурных режимов работы узлов трения;
ввести необходимые компоненты (микроэлементы) в ионной форме в обрабатываемые материалы в процессе их обработки;
удовлетворить требования потребителей в долговечности изнашивающихся металлических деталей на протяжении активной жизнедеятельности одного поколения людей, т.е. продолжительностью не менее 25 лет работы машин или не менее 1 млн. км пробега автомобилями без физического старения машин.

Техническое решение "Способ возрождения машин" состоит из трех составляющих его частей: технологической, эксплуатационной и контролирующей.

Практическое выполнение технического решения обеспечивают тем, что финишную технологическую обработку поверхностей трения производят на максимально допустимых в эксплуатации режимах работы деталей идентично обеих контактных поверхностей трения, заменяющую собой вкладыши и втулки подшипников скольжения трибоэлектропереплавленными или индукционным нагревом под слоем раствора электролита, армированными оболочковыми карбидосодержащими металлокерамическими покрытиями с пластичной или хрупкой связкой, где в качестве раствора электролитов используют кремнийсодержащую с добавками или без абразивных и углеродсодержащих примесей жидкость, а в эксплуатации узлы трения, смазочно-охлаждающие (рабочие) жидкости и обрабатываемые материалы используют в машинах в качестве трибоэлектрических устройств и (или) их компонентов, при этом в качестве раствора электролита в машинах вместо нефтяных и других нетокопроводных в объеме масел применяют электропроводную в объеме, маслянистую, негорючую, взрывобезопасную, морозостойкую, не требующую замены в эксплуатации, единую для всех систем и механизмов (не нефтяного происхождения) на водной основе, экологически чистую, дешевую жидкость, которой заполняют состоящую из накопителя, трубопровода, гидронасоса, гидрораспределителя и охладителя систему, обеспечивающую отдельные пары трения, узлы и агрегаты автономно подводом и отводом жидкости так, что внутренние емкости узлов трения остаются "сухими", а контактные поверхности пар трения находятся в непрерывном проточном потоке жидкости, в котором и (или) в накопителей, или в объеме обрабатываемого материала устанавливают аноды (обрабатываемые изделия) с энергообеспечением от внешних и (или) внутренних источников, причем материалы растворимых анодов подбирают с учетом ввода составляющих их компонентов (микроэлементов) в обрабатываемые материалы, нерастворимых с более отрицательными в сравнении с парами трения электродными потенциалами, где в качестве контроля и регулировки стабилизации стационарного состояния трибосистем используют автоколебательную с обратной связью всережимную саморегулирующуюся систему, действующую посредством переменного массопереносящего восстановительного потока жидкости через изменяющуюся между разделенными слоем жидкости деталями щель в результате одновременно протекающих на поверхностях трения деталей процессов изнашивания и трибоэлектрохимического восстановления, причем технологическая, эксплуатационная и контролирующая составляющие способа позволяют быть использованными каждым индивидуально, без связей с другими составляющими и в различных сочетаниях способа возрождения машин.

Основной направленностью изобретения является разработка способа финишной технологической обработки поверхностей трения деталей и автоматического управления долговечностью пар трения.

Финишную технологическую обработку поверхностей трения осуществляют следующим образом.

Трибоэлектропереплавом карбидосодержащую металлокерамическую оболочковую обработку поверхности трения производят трибоэлектрической переплавкой или с индукционным нагревом поверхностного слоя детали трущимся чугунным, графитовым, латунным и т.п. электродом или их сочетаниями под слоем кремнийсодержащей жидкости, например жидкого стекла с добавками порошкового графита.

После чего производят финишную трибоэлектрохимическую обработку деталей карбидосодержащими армированными металлокерамическмими покрытиями. Трибоэлектрохимобработку осуществляют при выполнении следующих условий и последовательностей. Обе трущиеся поверхности трибосопряжения финишной технологической операции обрабатывают одинаково, независимо от их конструкции, материалов и технологий предшествующих обработок. На поверхности трения каждой из деталей трибосопряжения наносят пластичный материал, наполнителем которого являются абразивные частицы (зерна). Величина абразивных частиц (зерен наполнителей) должна быть не меньше глубины впадин шероховатостей поверхностей, заполняемых пластичным материалом. Количество абразивных частиц по объему к пластичному материалу покрытия определяется целью сопряжения.

Пример.

Трибоэлектрохимическим способом осуществляют армированное выступами шероховатостей покрытие металлами или сплавами поверхности трения при изготовлении новых или восстановлении изношенных деталей. В качестве электролита применяют электропроводящую смазочную среду, например жидкое стекло. И с добавкой в жидкость абразивных частиц не менее 10% по массе, предусмотренных технологией финишной обработкой деталей.

Скорость трения и нагрузочные режимы трибоэлектрохимических покрытий определяют исходя из их максимальных эксплуатационных значений для конкретных сопряжений.

К обрабатываемой детали и растворимому инструменту подводят напряжение 1 - 2 В и постоянный ток до 10 А/мм², для трибоэлектропереплавления - более 10 А/мм² фактического контакта при граничном трении.

В результате получают армированное выступами шероховатостей оболочковое покрытие поверхностей трения обрабатываемых деталей.

Трибоэлектрохимическое покрытие на 2 - 3 класса повышает чистоту обработки и исключает, тем самым, финишную обработку поверхностей трения деталей.

Одинаково обработанные таким образом обе трущиеся поверхности позволяют:
повысить износостойкость деталей пар трения не менее чем на порядок;
упростить конструкцию узлов трения-скольжения исключением из них втулок, вкладышей и т.п.;
обеспечить получение положительного эффекта от абразивных частиц в смазочной (окружающей) среде в результате преобразования их из активаторов (ускорителей) изнашивания в повышающие износостойкость пар трения;
исключить в принципе очистку или вначале снизить требования к очистке смазочных масел (рабочих сред) в системах и механизмах машин, так как абразив в данном случае является не вредной, а полезной механической примесью;
исключить финишную механическую или какую-либо другую обработку деталей, повысив при этом на 2 - 3 класса чистоту шероховатостей обрабатываемых поверхностей трибоэлектрохимическим оболочковым покрытием;
исключить полнообъемное легирование конструкционных материалов, производимых с целью повышения износостойкости деталей.

На основе проверенных в реальных условиях эксплуатации машин, в частности на тракторных гидросистемах, результатов испытаний на Винницком заводе тракторных гидроагрегатов, Кировоградском заводе "Гидросила", ВАЗе, в Одесском филиале НАТИ и других предприятиях установлено, что финишная трибоэлектрохимическая карбидосодержащими металлокерамическими оболочковыми покрытиями обработка повышает износостойкость деталей на 1-2 порядка.

Автоматическое управление долговечностью пар трения в эксплуатации машин заключается в размещении электроизолированного от изнашивающихся деталей анода (или обрабатываемого изделия) в струе потока (или в объеме используемой в качестве раствора электролита обрабатываемого материала) токопроводной смазочной и (или) охлаждающей жидкости, подаваемой к рабочей паре трения. При этом изнашивающиеся детали пары трения подключают на катод электрического тока плотностью 40 - 100 мкА на 1 дм¹ площади трения с напряжением в цепи 1-2 В.

Принципиально способ осуществляют следующим образом.

К деталям пары трения, например зубчатым колесам, подключенным в электрической цепи на катод, струей подают смазочную токопроводную жидкость. В струе жидкости размещают анод. Стекающая с шестерен смазочная жидкость из корпуса попадает в отвод. После чего жидкость гидронасосом подают от отвода к паре трения. Далее процесс повторяется. Омываемый токопроводной смазочной жидкостью анод под действием электрического тока растворяется. Массоперенос ионов от катода к восстанавливаемым деталям производят струей смазочной жидкости. С остановкой работы пары трения одновременно прекращается подача смазочной (рабочей) жидкости, а с ней и восстановление неработающей пары.

Практически осуществляют способ посредством системы долговечности машин.

Система долговечности машины работает следующим образом.

Из накопителя гидронасосом и гидрораспределителем через охладитель жидкость подают к узлам трения. От узлов трения гидронасосом жидкость подают в накопитель. Дальше процесс повторяется. В узлах трения одновременно происходит износ и восстановление деталей и жидкости трибоэлектрохимическими способами с использованием внешнего и (или) внутреннего источника электрической энергии, питающего дополнительно вводимый в трибосистему анод и подключенную на катод пару трения через токопроводную жидкость. За ненадобностью охлаждения жидкость попадет в паре трения, минуя охладитель. Система долговечности машин обеспечивает стабилизацию стационарного состояния трибосистем, а с ними и машины в целом.

В сравнении с углеводородными маслами нефтяного происхождения жидкость имеет ряд преимуществ. Она токопроводна, морозостойка, не требует замены в эксплуатации, не горючая, экологически чистая, дешевая. Компоненты жидкостей транспортируют и хранят в обычных бумажных мешках. Приготовление жидкости не вызывает трудностей. При необходимости готовят к эксплуатации в любом количестве как в отдельных емкостях, так и непосредственно в машинах.

Работа системы долговечности машин проверена на парах трения, полнокомплектных агрегатах и машинах заводами и отраслевыми НИИ Минавтотракторсельхозмаш СССР (НАТИ, Гидросила, Тракторных гидроагрегатов, ЯМЗ и др.). Например, тракторные гидросистемы при гарантийном ресурсе 1000 м. - часов отработали более 2000 м. - часов и продолжают работать без снижения технико-экономических показателей. При этом жидкость не изменила своих свойств, за исключением повышения токопроводности на 1 -2%.

Система долговечности машин работает устойчиво и надежно, так как ей присущи необходимые для этого компоненты: вещество, энергия и информация.

Информацией служит соответствующая обратная связь. При увеличении интенсивности изнашивания зазор между деталями пары трения увеличивается. Расход жидкости через зазор возрастает. Вместе с жидкостью к изнашивающимся поверхностям трения поступает большее количество компонентов, в результате растворения анода, для восстановления изнашивающихся деталей. При восстановлении в процессе изнашивания поверхностей трения зазор между деталями уменьшается. Количество жидкости в зазоре, а с нею и количество компонентов анода и энергии, необходимых для восстановления трибосистем, падает. В конечном результате скорости изнашивания и восстановления деталей выравниваются. Происходит стабилизация стационарного состояния трибосистем - автоматическое регулирование расхода строго необходимого количества вещества и энергии посредством естественной обратной связи. Поэтому система долговечности машин работает устойчиво и надежно. Отказов работы системы долговечности машин не наблюдалось.

С целью расширения возможностей использования системы долговечности машин в качестве вещества применяют моно- и (или) гетерогенные материалы, а с целью обеспечения управляемого по количеству и качеству массопереноса вещества применяют (смазочную) токопроводную среду и энергию с подачей по сигналу обратной связи.

При включении системы долговечности в конструкцию машины, в сравнению со смазочными (рабочими) углеводородными жидкостями нефтяного происхождения значительно лучше проявили себя в эксплуатации маслозаменяющие жидкости на водной основе, например полиэтиленгликоль (ПЭГ).

Маслозаменяющая жидкость на водной основе токопроводна, температура замерзания, в зависимости от концентрации растворимых в воде компонентов, может быть доведена до 40^oC и ниже, в эксплуатации замены не требует, негорючая, экологически чистая. Для управления ресурсом машин, например дизельного двигателя массой более 1 т и мощностью до 150 кВт, достаточно электрической энергии мощностью до 3 Вт.

В качестве примера повышения работоспособности поверхностей трения при использовании в качестве растворов электролитов обрабатываемых материалов и рабочих сред проведены испытания при обработке почвы рабочими органами почвообрабатываемых машин (пахота, культивация, дискование, боронование и т.п. ), различных смесей из муки, соли, сахара, воды, дрожжей и т.п. (теста, конфетной, шоколадной и др. масс) для приготовления пищевых продуктов (хлеба, конфет, джемов, варенья, соков и т.п.), холодной прокатке металлических профилей (металлического, например стального листа и т.п.).

Характерной особенностью прокатки металлического листа является износ вальцов. Огрубляется шероховатость контактных поверхностей и уменьшается диаметр вальцов. Поэтому уже с первых оборотов вальцов наблюдаются отклонения от необходимой величины шероховатостей, т.е. чистоты поверхности проката и постоянное увеличение толщины листа. Аналогично и для других профилей проката.

Прокатку металлического, например стального листа, осуществляют так, что вальцы и лист являются электродами трибоэлектрохимического устройства. Раствором электролита служит смазывающе-охлаждающая жидкость. Электрической энергией от внешнего источника производят стабилизацию стационарного состояния подключенного на катод электрической цепи вальца. Износ вальцов при этом уменьшается в 7-12 раз.

Аналогичная схема повышения долговечности рабочих органов, узлов, агрегатов и отдельных деталей проверена на машинах в легкой и химической отраслях промышленности.

Прутковые направляющие и ролики ткацких и др. станков повысили срок службы в 10 и более раз (г. Ленинакан, текстильный комбинат) в результате подключения их на катод. Анодом в этом случае служит мокрая нить.

В качестве нерастворимого анода применялись графитовые стержни, пластины, трубки и др. конструкции в устройствах для перекачки транспортировки и хранения агрессивных сред (кислот, щелочей и т.п.). Детали, обработанные трибоэлектрохимическими металлокерамическими покрытиями проходят испытания на самых разных машинах, в том числе и в охладителях атомных реакторов в ФРГ. Немцами установлено повышение износостойкости деталей в 27-30 раз. Ресурс насосов по перекачке агрессивных жидкостей повышен в десятки (30-80) раз.

Конструкционные материалы машин пищевой отрасли для обработки (переработки) текста, фруктов, овощей и т.п. изготавливают, как правило, из сплавов металлов. Это нержавеющие стали, так называемый пищевой алюминий, титановые сплавы и т.п.

Однако все эти материалы пищевого сырья изнашиваются. Продукт изнашивания деталей машин остаются в приготавливаемой пище, и, естественно, съедаются людьми. На содержание металлов в пищевых продуктах имеются соответствующие гостированные допустимые нормы, которые, к сожалению, в последние десятилетия постоянно увеличиваются.

В данном случае аноды применяют как нерастворимые, так и растворимые на предмет ввода необходимых компонентов (микроэлементов) в ионной приемлемой для усвоения организмом форме. Раствором электролита принята пищевая среда. На поверхностях трения с пищевой средой подключенных на катод деталях интенсивность восстановления по скорости превосходит окисление металлов. Оксиды металлов в продукты не попадают. Интенсивность изнашивания уменьшается в десятки раз. Способ исключает необходимость применения высоколегированных дорогостоящих материалов.

Использование почвы в качестве раствора электролита повышает урожайность и сокращает вегетационный период развития растений на 1/3.

Экспериментально установлено, что за один и тот же промежуток времени стебель озимой пшеницы после всходов в обычных условиях вырастает на 1 см, а при диссоциации почвы энергией электрического тока - на 3-5 см.

Использование почвы в качестве раствора электролита обеспечивает повышение износостойкости подключенных на катод лемехов плугов в пределах 3-804 раза в зависимости от влажности и составляющих компонентов почвы. Установлено увеличение в почве в 63 раза микрофлоры, определяющей количество гумусов.

Закрепленный на плуге электроизолированный растворимый анод обеспечивает внесение в почву в ионной форме необходимых для питания растений микроэлементов (витаминов флоры и фауны: медь, железо, бор, молибден, марганец и др. ), проблема внесения которых в почву весьма далека от решения.

Исследованиями и проверкой в практике установлено, что применение способа возрождения машин при обработке токопроводных материалов практически предотвращает окислительное изнашивание деталей - рабочих органов и обеспечивает стабилизацию стационарного состояния и свойств рабочих сред (жидкостей) и введение в обрабатываемый материал заданного количества необходимых компонентов (микроэлементов).

Таким образом, способ возрождения машин:
исключает физическое старение машин, расход запасных частей, смазочно-охлаждающих, гидравлических и тормозных жидкостей (далее жидкостей) вместо изношенных деталей и непригодных для дальнейшей эксплуатации жидкостей, очистку жидкостей от абразивных загрязнений, сервисные затраты на поддержание машин в работоспособном состоянии, неэкологичные и дорогие эксплуатационные и технологические жидкости, неэкологичные и дорогие технологии диффузионных насыщений поверхностей трения для повышения износостойкости деталей, фирменные ограничения не продолжительность гарантированной изготовителем эксплуатации машин без замены изношенных деталей узлов трения и жидкостей;
уменьшает номенклатуру и количество конструкционных материалов деталей пар трения и жидкостей;
упрощает конструкции и технологии изготовления деталей, узлов и агрегатов;
обеспечивает необходимую вязкость эксплуатационной жидкости в зависимости от скоростных нагрузочных и температурных режимов работы узлов трения;
позволяет вводить необходимые компоненты (микроэлементы) в ионной форме в обрабатываемые материалы в процессе их обработки;
удовлетворяет требования потребителей в долговечности изнашивающихся металлических деталей на протяжение активной жизнедеятельности одного поколения людей, т.е. продолжительностью не менее 25 лет работы машин или не менее 1 млн. км пробега автомобилями без физического старения машин;
осуществляет экологически чистое производство и использование машин и машинной продукции применительно к узлам трения, смазочно-охлаждающим (рабочим) жидкостям и обрабатываемым материалам;
повышает экономическую эффективность производства и потребительские свойства машин и машинной продукции.

Несложные расчеты показывают, что в сравнении с затратами, экономическая эффективность от практического применения способа возрождения машин в реальных изделиях составляет не менее чем 1:100 - 1:1000. Более точные экономические показатели могут быть получены при серийном или массовом его применении.

Использование: относится к области машиностроения и состоит из трех составляющих его частей: технологической, эксплуатационной и контролирующей. Сущность: практическое выполнение технического решения обеспечивает повышение экономической эффективности производства и потребительских свойств машин и машинной продукции тем, что в технологии изготовления поверхности трения деталей обрабатывают трибоэлектропереплавленными и трибоэлектрохимическими армированными карбидосодержащими металлокерамическими оболочковыми покрытиями, а в эксплуатации узлы трения, смазочно-охлаждающие (рабочие) жидкости, обрабатываемые материалы и изделия используются в машинах в качестве трибоэлекрохимических устройств и (или) их компонентов, где вместо нефтяных и других масел в качестве раствора электролита в машинах применяют единую для всех систем и механизмов экологически чистую , дешевую жидкость, при этом контроль и регулировку стабилизации стационарного состояния трибосистем в машинах осуществляют автоколебательной с обратной связью всережимной саморегулирующейся системой. Каждая составляющая позволяет быть использованной индивидуально и в различных сочетаниях с другими составляющими способа возрождения машин. Экономическая эффективность от практического применения способа возрождения машин в реальных изделиях составляет не менее чем 1 : 100 - 1 : 1000.

Способ возрождения машин, заключающийся в том, что осуществляют финишную технологическую обработку поверхностей деталей машин с трибосопряжениями, создавая трибоэлектропереплавленную, карбидосодержащую, металлокерамическую, оболочковую поверхность трения трибоэлектрической переплавкой трущимся чугунным, графитовым, латунным электродом или их сочетанием под слоем кремнийсодержащей жидкости или переплавкой с индукционным нагревом, осуществляют финишную трибоэлектрохимическую обработку деталей машин, для чего обе трущиеся поверхности трибосопряжения обрабатывают одинаково, на поверхности трения каждой детали трибосопряжения наносят пластичный материал с наполнителем в виде абразивных частиц, величина которых не меньше глубины впадин шероховатости поверхностей трибосопряжения, а в процессе эксплуатации машин осуществляют автоматическое управление долговечностью деталей с трибосопряжениями путем размещения в машине электроизолированной от деталей вставки, подключения деталей машин с трибосопряжениями и вставки к источнику напряжения таким образом, что детали с трибосопряжениями являются катодом, а вставка - анодом, и подачи смазочной или охлаждающей жидкости, в качестве которой используют электропроводную в объеме, маслянистую, негорючую, взрывобезопасную, морозостойкую, не требующую замены в эксплуатации, единую для всех систем и механизмов, не нефтяного происхождения, на водной основе, экологически чистую, дешевую жидкость.