Ресурсосберегающие плазменные технологии при ремонте перерабатывающего оборудования

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ 

ПЛАЗМЕННЫЕ 
ТЕХНОЛОГИИ 
ПРИ РЕМОНТЕ 

ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО 

ОБОРУДОВАНИЯ

И.Н. КРАВЧЕНКО
М.А. ГЛИНСКИЙ

С.В. КАРЦЕВ
В.М. КОРНЕЕВ

Д.Т. АБДУМУМИНОВА

Москва
ИНФРА-М

2021

МОНОГРАФИЯ

УДК 621.793.74(075.4)
ББК 34.55
 
К78

Кравченко И.Н.

К78  
Ресурсосберегающие плазменные технологии при ремонте пе
рерабатывающего оборудования : монография / И.Н. Кравченко, М.А. Глинский, С.В. Карцев, В.М. Корнеев, Д.Т. Абдумуминова. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 200 с. — (Научная мысль). — 
DOI 10.12737/1083289.

ISBN 978-5-16-016135-8 (print)
ISBN 978-5-16-108490-8 (online)
В монографии изложены научно-методические основы выбора метода нане
сения покрытий, проектирования технологических процессов упрочнения и восстановления изнашивающихся поверхностей деталей с использованием системы 
инженерных расчетов и информационной поддержки технолога. Приведены 
математическая модель плазменного напыления материалов с различной теплопроводностью и методы критериальной оценки технических и технологических 
возможностей плазменных способов нанесения покрытий. Описаны методики 
и результаты экспериментальных исследований, проведен анализ условий эксплуатации и причин потери работоспособности перерабатывающего оборудования АПК. Предложен научно-методический подход к обоснованию целесообразности восстановления и упрочнения рабочих органов и деталей дорогостоящего 
импортного технологического оборудования. Предложены математические 
модели, описывающие физические процессы, происходящие при плазменном 
нанесении покрытий различного функционального назначения. Предложена 
структура алгоритма решения задач упрочнения и восстановления изношенных 
деталей плазменными методами на основе комплексной CAE-системы.

Монография предназначена для сотрудников научно-исследовательских 

учреждений, специалистов машиностроительного производства и предприятий технического сервиса, а также преподавателей, аспирантов и студентов 
агроинженерных направлений подготовки.

УДК 621.793.74(075.4)

ББК 34.55

Р е ц е н з е н т ы:

Баурова Н.И., доктор технических наук, профессор кафедры «Про
изводство и ремонт автомобилей и дорожных машин» Московского 
автомобильно-дорожного государственного технического университета «МАДИ»;

Коломейченко А.В., доктор технических наук, профессор, заведу
ющий отделом Управления перспективных технологий Центра сельскохозяйственного машиностроения ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»

ISBN 978-5-16-016135-8 (print)
ISBN 978-5-16-108490-8 (online)

© Кравченко И.Н., Глинский М.А., 

Карцев С.В., Корнеев В.М., 
Абдумуминова Д.Т., 2020

Введение

Возрождение и укрепление российской экономики немыслимо 
без подъема промышленного комплекса России, который зависит 
от качества применяемых машин, технологического оборудования 
и механизмов. Современные предприятия работают в динамичных 
экономических условиях, что заставляет рассматривать отдельные 
характеристики технического изделия не изолированно, а как взаимосвязанную систему базовых показателей, в целом определяющих 
конкурентоспособность продукции: качество машин и оборудования; уровень технического сервиса в эксплуатации (гарантийное 
и послегарантийное обслуживание и ремонт) и др.
Конкурентоспособность изделий машиностроения 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 технологических и методических мероприятий, 
направленных на повышение долговечности машин на основе 
сквозной компьютерной технологии проектирования, производства 
и сопровождения. Современные тенденции интенсификации производственных процессов, увеличения рабочих давлений, скоростей, температуры приводят к ускорению изнашивания деталей 
и в сочетании с необходимостью автоматизации производства делают проблему повышения долговечности быстро изнашиваемых 
узлов машин еще более острой.
Упрочнению и модернизации технологического оборудования 
уделяют самое серьезное внимание ведущие промышленные предприятия мира. Восстановление работоспособности изношенных 
деталей технологического оборудования является одной из важнейших отраслей машиностроения. Износ рабочих или посадочных 
поверхностей деталей машин может парализовать работу не только 
отдельно взятой машины или механизма, но зачастую и предприятия в целом. Упрочняющие покрытия способны уменьшить 
износ и подлить срок службы деталей.
В экономически развитых странах восстановление изношенных 
деталей очень широко развито. Восстановленные детали в 1,5–
2,5 раза дешевле новых, а по ресурсу, как правило, не уступают 
им. Продвижением и развитием технологий восстановления деталей занимаются как компании, производящие машины, так и специализированные фирмы по восстановлению изношенных деталей. 
Например, на мотороремонтном заводе английской фирмы “Beans 
Industries Ltd” ремонтируют ежегодно около 60 тыс. двигателей 
типа “Ford” и восстанавливают блоки цилиндров, головки блоков, 

коленчатые и распределительные валы, шатуны, гильзы и другие 
дорогостоящие детали. Аналогично поставлено восстановление 
деталей на ремонтных заводах кампании “Perkins” и других. Разработку технологий, оборудования и материалов документации 
на восстановление деталей проводят в исследовательском центре, 
насчитывающем около двух тысяч специалистов, а также в исследовательских лабораториях, находящихся в различных странах.
В настоящее время в агропромышленном комплексе России существует потребность в восстановлении и упрочнении деталей перерабатывающего оборудования. Промышленное оборудование, установленное еще в советское время, сильно изношено и требует ремонта. 
Начиная с середины 1990-х годов, неуклонно растет доля промышленного оборудования зарубежного производства, используемого российскими промышленными компаниями. В связи с отсутствием конкурентоспособных российских аналогов данного оборудования, а также, 
учитывая практическую невозможность наладить отечественное производство многих видов данного оборудования, можно с уверенностью сказать, что доля парка зарубежного оборудования в обозримом 
будущем будет только расти. Использование импортных технологических машин и оборудования сопряжено со следующими рисками 
и сложностями в эксплуатации:
 
• необходимость приобретения запасных частей и комплектующих импортного производства, характеризующихся высокими ценами (зачастую в десятки раз превышающих стоимость 
аналогичных деталей российского производства) и длительными 
сроками поставки (для сложных узлов и крупногабаритных деталей сложной конструкции срок поставки может достигать 30 
и более недель);
 
• зависимость отечественной промышленности от импортных запасных частей, комплектующих и сервисного обслуживания;
 
• практическая невозможность воспроизвести ключевые детали 
импортного оборудования из-за отсутствия необходимой технической документации, а также отсутствия технологических 
возможностей изготовления данных деталей;
 
• отсутствие аварийного запаса запасных частей и дублирования 
ключевого импортного технологического оборудования ввиду 
их высокой стоимости приводит в случае аварийного выхода 
из строя оборудования к фактической остановке производства 
на срок, равный или превышающий срок поставки импортных 
запасных частей и нового оборудования.
Существующая зависимость от импорта как в части поставок нового оборудования, так и в части поставок запасных частей к эксплуатируемому оборудованию создает серьезную угрозу для нормального функционирования и развития всего агропромышленного ком

плекса Российской Федерации. Развитие технологий упрочнения 
и восстановления изношенных деталей в данных условиях является 
одним из основных путей обеспечения экономической безопасности 
России и стратегически важной и приоритетной задачей.
Срок службы быстроизнашивающихся деталей определяет рентабельность многих дорогостоящих машин. Незапланированные 
остановки оборудования для замены изношенных деталей новыми 
приводят к существенным потерям материалов, труда, финансовых 
ресурсов, связанных со снижением качества продукции, нарушением ритмичности процесса производства, необходимостью в специальном ремонтном персонале. Все это является причиной колоссальных непроизводственных затрат, которые снижают эффективность народного хозяйства.
Принимая во внимание, что импортное оборудование, закупленное в 1990-х годах и интенсивно эксплуатирующееся в течение 
прошедших 15—20 лет, в настоящее время уже подлежит капитальному ремонту, практическая важность внедрения современных 
средств восстановления и упрочнения становится очевидной.
По данным ряда исследователей, износ различных групп деталей находится в пределах 0,01—10 мм, при этом у 85% деталей, 
подлежащих восстановлению, износ не превышает 0,6 мм. Расходы 
на запасные части достигают 60% от себестоимости ремонта машин 
в целом, а срок поставки импортных узлов и крупногабаритных деталей сложной конструкции достигает 30 и более недель, что создает серьезную зависимость российской промышленности от зарубежных производителей оборудования. Восстановленные детали 
в 1,5–2,5 раза дешевле новых деталей российского производства 
и 3–10 раз дешевле новых деталей зарубежного производства, 
а по ресурсу, как правило, не уступают им. По косвенной оценке, 
насыщенность европейской промышленности технологическими 
ресурсами для упрочнения и восстановления деталей в 350–400 
раз выше насыщенности российских предприятий. При этом существующие российские производственные мощности покрывают 
лишь 0,5–0,7% от реальной потребности отечественной промышленности в упрочнении и восстановлении деталей [3, 5, 12, 16, 17, 
39, 88, 91, 92, 100, 102, 104, 103].
Значительное повышение ресурса актуально при рациональном 
использовании металлополимерных покрытий и порошковых 
твердых сплавов, применение которых постоянно возрастает как 
в нашей стране, так и за рубежом. Одними из перспективных, современных и эффективных технологических методов нанесения 
композиционных материалов на поверхности изношенных деталей 
являются плазменное напыление и плазменная наплавка, наиболее 
полно удовлетворяющие техническим и технологическим требова

ниям (высокая производительность, широкая возможность легирования наносимых покрытий, большой диапазон регулирования 
ввода теплоты в основной и присадочный материалы, возможность 
нанесения любых присадочных материалов и др.).
Одним из наиболее перспективных и современных технологических методов нанесения покрытий различного функционального 
назначения является плазменное напыление. Метод плазменного 
напыления покрытий получил широкое применение при изготовлении изделий специальной техники. В последнее время этот метод, 
отличающийся высокими технико-экономическими показателями, 
используется в машиностроении, энергетике, химической, нефтегазовой, дорожной, строительной, сельскохозяйственной технике, 
а также на предприятиях городского и коммунального хозяйства.
Проектирование технологического процесса плазменного напыления является большой проблемой: сложность конструкции плазмотрона, сложность математического моделирования и проблемы 
стабильности процесса напыления требуют большого количества 
испытаний. Для получения покрытий с требуемыми свойствами необходимо в полной мере использовать возможности современных 
ЭВМ в процессе проектирования покрытий и выбора рациональных 
технологических режимов их нанесения.
Таким образом, возникает объективное противоречие между 
острыми потребностями практики и состоянием научно-методической базы в данной области, а также необходимость разработки технологических решений, методик и рекомендаций, обеспечивающих 
комплексный научно-обоснованный подход к разработке оптимальных технологических процессов восстановления и повышения 
ресурса деталей перерабатывающего оборудования АПК. Разрешению данного противоречия посвящено настоящее исследование, 
что определяет его научную актуальность.
Основополагающими в решении проблем восстановления 
и упрочнения деталей различных машин и оборудования АПК, 
обеспечения их надежности и долговечности являются труды 
А.Н. Батищева, В.И. Черноиванова, Н.И. Бауровой, И.Г. Голубева, В.П. Лялякина, В.А. Денисова, М.Н. Ерохина, В.П. Иванова, 
В.И. Казарцева, А.В. Коломейченко, А.С. Кононенко, И.Н. Кравченко, Ю.А. Кузнецова, Б.Т. Гельберга, В.В. Курчаткина, В.Н. Логачева, В.С. Новикова, Е.А. Пучина, А.И. Селиванова, С.А. Сидорова, 
С.А. Соловьева, И.А. Спицына, Н.Ф. Тельнова, С.С. Черепанова, 
В.М. Юдина и других ученых [3–11, 16, 17, 54, 56–59, 61–63, 65, 66, 
69–71, 73–76, 78–82, 87, 90, 94, 96, 100, 102–104]. При этом следует 
отметить, что в настоящее время вопросы восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники изучены и освещены 
достаточно широко, однако проблемы восстановления и упроч

нения изношенных деталей перерабатывающего оборудования АПК 
изучены недостаточно и требуют дополнительного рассмотрения, 
научного исследования и выработки новых современных технологических методов и практических рекомендаций по их реализации.
Большой вклад в разработку научных основ, описание и последующее развитие физико-математических моделей плазменных 
методов нанесения покрытий внесли российские и зарубежные 
ученые и исследователи В.В. Кудинов, А.Ф. Пузряков, Л.Х. Балдаев, И.Н. Кравченко, Г.Г. Максимович, О.П. Солоненко, И.П. Гуляев, Г.И. Лащенко, Б.М. Соловьев, А.А. Пузряков, Ю.С. Борисов, 
В.А. Барвинок, П.П. Иванов, А. Хасуи, C.C. Berndt, A. Vardelle, 
P. Fauchais, J. Heberlein, J.P. Trelles, E. Pfender, J. Mostaghimi, 
S. Guessasma, S. Hossainpour, A.F. Kanta, M. Xue, R. Ghafouri-Azar, 
C. Coddet, C. Chazelas, G. Montavon и др. [1, 2, 13, 17, 52, 64, 77, 83, 
88, 89, 91, 92, 98, 99, 107, 108, 115, 116, 122, 129, 130, 147, 148, 155–
157, 159–164, 168, 172, 174, 180, 181, 192, 207, 213, 214, 227, 232–234, 
238]. Однако в настоящее время большинство разрабатываемых моделей носят эмпирический характер, с той лишь разницей, что в последнее время все активнее используется численное моделирование 
в том или ином виде. Несмотря на массовое практическое применение плазменных методов, в особенности за рубежом, наблюдается 
практическое отсутствие специализированного программного обеспечения, пригодного для решения задач восстановления и упрочнения деталей методами плазменного напыления. Существующие 
физико-математические модели либо очень узконаправлены, либо 
не решаются с необходимой точностью, либо весьма эмпиричны 
и трудоемки в решении, что делает невозможным или очень существенно ограничивает их использование для управления технологическими режимами напыления и качеством получаемых покрытий.
Таким образом, разработка и внедрение ресурсосберегающих 
технологий восстановления и упрочнения изношенных деталей 
перерабатывающего оборудования АПК методом плазменного нанесения износостойких и антифрикционных покрытий при наименьших затратах является одной из актуальных задач, которая 
до настоящего времени не нашла окончательного решения. Основные положения исследования и разработки служат дальнейшему развитию и совершенствованию научно-методической базы 
в области оптимизации технологических процессов нанесения газотермических покрытий, а также практическому внедрению ресурсосберегающих технологий восстановления и упрочнения изношенных деталей перерабатывающего оборудования АПК.

Глава 1
АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ 
ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ 
ИЗНОШЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ 
ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ АПК

1.1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПРИЧИН ПОТЕРИ 
РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО 
ОБОРУДОВАНИЯ АПК

Интенсивное развитие сельского хозяйства и предприятий агропромышленного комплекса, происходящее в России на протяжении 
последних пяти лет, требует все более широкого применения различного перерабатывающего оборудования. Начиная с 1990-х годов 
и по настоящее время большая часть из ключевого перерабатывающего оборудования агропромышленного комплекса (АПК) является импортным или собираемым в России из импортных комплектующих. 
Современные тенденции интенсификации производственных 
процессов приводят к ускорению изнашивания деталей, и в этих 
условиях задача восстановления и повышения долговечности ключевых деталей, узлов и агрегатов машин и оборудования становится 
еще более важной и актуальной.
В данных условиях реальная стратегия обеспечения работоспособности перерабатывающего оборудования в АПК состоит в восстановлении и упрочнении деталей. Так, восстановленные детали 
в 1,5–2,5 раза дешевле новых деталей российского производства 
и в 3–10 раз дешевле новых деталей зарубежного производства [39, 
81, 92, 94, 95, 100, 102–104].
Проведенный анализ показал, что 85–90% деталей сельскохозяйственных машин и перерабатывающего оборудования АПК выходит 
из строя вследствие следующих видов износа: абразивное изнашивание, 
ударно-абразивное изнашивание, гидроабразивное изнашивание, коррозионно-механическое изнашивание, окислительное изнашивание. 
При этом 75% изношенных деталей являются ремонтопригодными.
На реальный процесс изнашивания составных частей любой машины оказывают влияние две группы факторов:
 
• внутренние (конструктивные, заводские) — факторы, от которых зависит качество изготовления, сборки, обкатки машины 
(твердость трущихся поверхностей, их шероховатость, перво

начальные зазоры и натяги, удельные нагрузки, скорость движения деталей, режим обкатки), а также характер конструкции 
и геометрическая структура элементов;
 
• внешние (эксплуатационные) — климатические условия, характер и интенсивность работы, интенсивность нагрузочных 
режимов, методы и уровень проведения технического обслуживания и ремонта.
Абразивное изнашивание деталей обусловлено взаимодействием их поверхностей с твердыми частицами при наличии относительной скорости. В роли таких частиц выступают:
 
• неподвижно закрепленные твердые зерна, входящие в контакт 
либо по касательной, либо под небольшим углом атаки к поверхности детали;
 
• незакрепленные частицы, входящие в контакт с поверхностью 
детали, — частицы грунта, пыль и порода, попавшие на рабочие 
поверхности деталей, в особенности выкрошившиеся частицы 
твердых структурных составляющих.
При ударно-абразивном изнашивании износостойкость углеродистых сталей зависит не только от твердости, но также от состава и структуры стали. Достаточной износостойкостью обладают 
высокоуглеродистые стали, содержащие до 0,7% углерода. Стали 
с большим содержанием углерода имеют меньшую износостойкость вследствие хрупкого выкрашивания.
Гидроабразивное изнашивание наблюдается при воздействии 
на поверхности деталей твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости.
Общим для всех видов абразивного изнашивания является механический характер разрушения поверхностей деталей.
Коррозионно-механическое изнашивание происходит при 
трении поверхностей, непрерывно вступающих в химическое взаимодействие с окружающей средой.
Окислительное изнашивание появляется при сравнительно небольших скоростях скольжения и небольших удельных нагрузках 
[3, 5, 12, 16, 17, 21, 29, 30, 34, 58, 64, 85, 88, 91, 92, 100, 102, 104].
В экономически развитых странах восстановление изношенных 
деталей очень широко развито. Упрочнению и модернизации технологического оборудования уделяют самое серьезное внимание 
ведущие промышленные предприятия мира. Продвижением и развитием технологий восстановления деталей занимаются как компании, производящие машины, так и специализированные фирмы 
по восстановлению изношенных деталей.
В настоящее время в России существует большая потребность 
в упрочнении и восстановлении деталей практически во всех отраслях промышленности и народного хозяйства, при этом одной 

из наиболее важных задач является упрочнение и восстановление 
деталей сельскохозяйственной техники и перерабатывающего оборудования агропромышленного комплекса [75, 82, 92, 97, 101, 102].
Восстановление деталей является крупным резервом обеспечения техники запасными частями, расходы на которые в настоящее время составляют 40–60% себестоимости [1, 17, 85, 91, 92, 
99, 100, 102].
Необходимость развития технологий восстановления и упрочнения деталей перерабатывающего оборудования АПК приобретает 
особую важность с учетом действующей санкционной политики 
в отношении России со стороны ряда государств, резидентами которых являются большинство производителей современной номенклатуры данного оборудования. 
Для перерабатывающих производств АПК актуальным является восстановление и упрочнение: деталей смесителей различной 
конструкции и назначения, ножей и скребков различных машин, 
каландров, подшипников скольжения, механических уплотнений, 
емкостного оборудования различного вида и назначения, деталей 
теплообменного оборудования, деталей сепараторов различной 
конструкции и назначения, шнеков и фильеров различной конструкции и назначения.
Для решения задач восстановления и упрочнения используются 
WC/CoCr, стеллит, никелевые коррозионностойкие стали, WC/Ni, 
WC/NiCrBSi, никелевые сплавы (хастеллой и др.), Cr2O3, Al2O3/
TiO2, Ni, баббиты, бронзы, Al, WC/MoCrSi.
В качестве характерных примеров перерабатывающего оборудования АПК, требующего восстановления и упрочнения рабочих 
органов в ходе эксплуатации, в рамках настоящей работы для 
углубленного анализа и решения задач по восстановлению и упрочнению, было выбрано три вида оборудования:
1. Скребковые (шнековые) теплообменники.
2. Барабанные сушилки (сгустители).
3. Декантерные центрифуги (декантеры).
Данное оборудование широко применяется в различных технологических процессах перерабатывающих отраслей АПК, подвержено интенсивному износу и, при этом, практически полностью 
является импортным, поскольку в России не имеется действующих 
производств для его изготовления.
Анализ условий эксплуатации и причин потери работоспособности скребковых (шнековых) теплообменников. Скребковые теплообменники применяются в широком спектре условий 
обработки пищевых продуктов, таких как термообработка, замораживание отстоя, стерилизация, охлаждение, пастеризация, кри