Технологии ресурсосберегающего восстановления и ремонта деталей промышленного оборудования
Покупка
Новинка
Основная коллекция
Тематика:
Машиностроение. Приборостроение
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Год издания: 2025
Кол-во страниц: 358
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
Дополнительное профессиональное образование
ISBN: 978-5-16-019232-1
ISBN-онлайн: 978-5-16-111942-6
Артикул: 814314.01.01
В монографии изложены теоретические основы и практика использования плазменного метода нанесения высокоресурсных покрытий как одного из наиболее эффективных, упрочняющих и ремонтных технологий, позволяющих повысить долговечность восстановленных деталей промышленного оборудования. Описаны средства технологического оснащения, оборудование и материалы для плазменного нанесения износостойких покрытий. Обобщены экспериментальные данные и результаты теоретических исследований. Рассмотрены различные методы испытаний и свойств покрытий, нанесенных плазменным методом.
Для научных работников, аспирантов и студентов, изучающих различные отрасли техники, а также инженерно-технических работников машиностроительной, металлургической, энергетической и других отраслей промышленности.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 15.04.02: Технологические машины и оборудование
- ВО - Специалитет
- 15.05.01: Проектирование технологических машин и комплексов
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
С.В. КАРЦЕВ И.Н. КРАВЧЕНКО ТЕХНОЛОГИИ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ И РЕМОНТА ДЕТАЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ МОНОГРАФИЯ Москва ИНФРА-М 2025
УДК 621+669(075.4) ББК 34.4:34.5 К27 Р е ц е н з е н т ы: Лялякин В.П., доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией электроискровых и термодиффузионных процессов Федерального научного агроинженерного центра ВИМ; Булычев В.В., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой колесных машин и прикладной механики Калужского филиала Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана (национального исследовательского университета) Карцев С.В. К27 Технологии ресурсосберегающего восстановления и ремонта деталей промышленного оборудования : монография / С.В. Карцев, И.Н. Кравченко. — Москва : ИНФРА-М, 2025. — 357 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/2098998. ISBN 978-5-16-019232-1 (print) ISBN 978-5-16-111942-6 (online) В монографии изложены теоретические основы и практика использования плазменного метода нанесения высокоресурсных покрытий как одного из наиболее эффективных, упрочняющих и ремонтных технологий, позволяющих повысить долговечность восстановленных деталей промышленного оборудования. Описаны средства технологического оснащения, оборудование и материалы для плазменного нанесения износостойких покрытий. Обобщены экспериментальные данные и результаты теоретических исследований. Рассмотрены различные методы испытаний и свойств покрытий, нанесенных плазменным методом. Для научных работников, аспирантов и студентов, изучающих различные отрасли техники, а также инженерно-технических работников машиностроительной, металлургической, энергетической и других отраслей промышленности. УДК 621+669(075.4) ББК 34.4:34.5 Данная книга доступна в цветном исполнении в электронно-библиотечной системе Znanium ISBN 978-5-16-019232-1 (print) ISBN 978-5-16-111942-6 (online) © Карцев С.В., Кравченко И.Н., 2024
Введение Одним из главных условий роста экономического потенциала России является ускорение научно-технического прогресса в ведущих областях деятельности, в том числе и в агропромышленном комплексе. Свеклосахарное производство — одна из тех отраслей агропромышленного комплекса России, уровень развития которой в значительной степени определяет состояние его экономики и активность формирования отечественного рынка сахара. Большое значение данного производства для экономики страны определяется тем, что сахар является одним из основных продуктов питания. В рационе человека около четверти энергетических калорий приходится на сахар. Кроме того, сахар характеризуется высокой транспортабельностью и пригодностью к длительному хранению, что дает возможность формировать национальные продовольственные запасы [72, 94]. Любая индустрия имеет свои особенности. Производство сахара — перерабатывающая отрасль агропромышленного комплекса России, главным для которой всегда остаются качество и в конечном итоге количество сырья. В Российской Федерации сырьем для производства сахара служит сахарная свекла. Климат в России идеально подходит для ее выращивания, однако сроки хранения сахарного корнеплода ограничены. Зрелая сахарная свекла может храниться не более трех — четырех месяцев. Плохо сохраняется незрелая и поврежденная свекла, поэтому фактор сезонности существенно влияет практически на все свеклосахарное производство. Интенсивное развитие свеклосахарного производства в России и наращивание производственных мощностей определяются сжатыми сроками переработки сахарной свеклы. Так, по данным некоммерческого партнерства «Союз сахаропроизводителей России» («Союзроссахар»), производство сахара в Российской Федерации из свеклы урожая 2019 г. с учетом переработки мелассы и свекловичного сиропа на февраль 2020 г. достигло рекордных 7,45 млн т, что на 0,89 млн т (порядка 14%) больше максимально достигнутых значений производства свекловичного сахара в сезоне 2017– 2018 гг. — 6,56 млн т [246]. Непрерывная переработка сырья, от подачи сахарной свеклы в производство и до упаковки готовой продукции, является главнейшей особенностью сахарного завода. Остановка любого промежуточного звена может привести к остановке всего производства, а это, в свою очередь, связано с порчей сырья, что недопустимо. Сахарные заводы работают непрерывно в две — три смены. Интенсивность их работы в течение четырехмесячной страды можно 3
приравнять к работе обычных предприятий на протяжении целого года. При этом все технологическое оборудование предприятий сахарной промышленности после таких нагрузок обязательно подвергается техническому обслуживанию и ремонту. Динамика промышленного оборудования проявляется, с одной стороны, в усложнении конструкции и появлении новых видов оборудования, расширении номенклатуры, сокращении цикла «проектирование — производство — поставка оборудования» до одного — двух лет и, как следствие, ускорении темпов его обновления. С другой стороны, наблюдается старение оборудования на отдельных сахарных заводах, не имеющих средств на обновление оборудования. Так, в значительной части корпораций доля оборудования с истекшим сроком эксплуатации достигает 40%, а разброс сроков службы превышает 15 лет. Эффективное применение такого разновозрастного оборудования с широкой номенклатурой аппаратов и установок требует дифференцированного подхода к организации его технического обслуживания и ремонта, повышения адаптивности системы технического обслуживания и ремонта к новым видам оборудования и условиям использования, непрерывного совершенствования методов и средств обеспечения работоспособности. Анализ и промышленный опыт эксплуатации технологического оборудования, входящие в состав свеклосахарного производства, показывают [213], что до 40% всех причин снижения их производительности и срока службы приходится на износ рабочих органов [52, 117, 169, 193]. Производственные, природные и климатические условия свеклосахарного производства, в которых эксплуатируется данное оборудование, выдвигают повышенные требования к уровню их надежности. К таким деталям в первую очередь относятся рабочие органы, наработка на отказ которых составляет до 150–200 ч [136]. Подобные детали выпускаются промышленностью неупрочненными, поэтому выгодно упрочнять их при изготовлении, а также восстанавливать изношенные. Стоимость затрат на техническое обслуживание и ремонт оборудования оцениваются в 20% стоимости приобретенного нового. Большие затраты несут владельцы сахарных заводов на приобретение нового оборудования. Известно, что в 2018 г. группе компаний «Русагро», замыкающей тройку российских лидеров по производству сахара, проект по дешугаризации мелассы (черной патоки) с закупкой нового оборудования обошелся в 5,5 млрд руб. [246]. По мнению ведущих ученых и специалистов [40, 55, 81, 196, 293], процесс движения ресурсов в условиях санкций не соответствует требованиям современного обновления машин и оборудования, производство и потребление которых снизилось в 15–16 раз. 4
В сложившихся условиях реальной стратегией обеспечения работоспособности становятся восстановление и упрочнение деталей промышленного оборудования свеклосахарного производства. При этом восстановление деталей выступает как одно из приоритетных направлений ресурсосбережения. Для большей номенклатуры деталей себестоимость их восстановления составляет 30– 70% от цены новых деталей, а ресурс зачастую значительно выше благодаря применению упрочняющих технологий [93, 305, 334]. Использование изношенных деталей в качестве заготовок для изготовления деталей путем их восстановления имеет ограничения. Так, это относится к деталям, работающим в условиях циклических знакопеременных нагрузок, в которых к моменту восстановления возникли усталостные трещины. О возрастающей роли стратегии восстановления деталей свидетельствуют увеличивающиеся объемы потребления запасных частей. В общей стоимости приобретаемых технических средств их доля колеблется от 23 до 65%; происходит перераспределение работ из крупных специализированных предприятий, имеющих необходимое технологическое оборудование, в мелкие кустарные ремонтные мастерские. При этом три четверти объемов работ по восстановлению оборудования холдинги — собственники сахарных заводов неквалифицированно выполняют восстановление деталей своими силами из-за отсутствия средств на оплату дорогостоящих услуг специализированных предприятий. О целесообразности восстановления деталей говорит и зарубежный опыт. Так, например, по данным национальной ассоциации дилеров NADA (Tysons, Virginia), в США происходит постоянный рост предприятий и пунктов по восстановлению деталей, узлов и механизмов машин и оборудования [236, 259]. В то же время в нашей стране объем восстановления деталей и, соответственно, качество ремонта заметно снизились. Если в начале 1990-х гг. доля восстановленных деталей в общем объеме расхода запасных частей составила около 20%, то в конце 2000 г. только 9,2% [52]. Низкое качество ремонта оборудования во многом вызвано применением устаревших технологических процессов восстановления деталей, сокращением площадей механических мастерских сахарных заводов, оттоком наиболее квалифицированных кадров в другие регионы с высокой зарплатой. Одним из стратегических направлений научно-технологического развития Российской Федерации является обеспечение независимости и конкурентоспособности страны за счет создания эффективной системы использования интеллектуального потенциала нации [285]. На этапе 2020–2025 гг. и в дальнейшей перспективе стратегия является основой для научно-технологического развития 5
Российской Федерации, государственных корпораций, компаний и акционерных обществ [229, 286, 288]. В новых условиях важным направлением является ресурсосбережение за счет разработки высокоэффективных, конкурентоспособных технологий восстановления изношенных деталей. Предприятия и компании особенно нуждаются в запасных частях массовых деталей, подверженных интенсивному абразивному изнашиванию, быстро выходящих из строя [236]. Значительное повышение ресурса возможно при рациональном использовании порошковых твердых сплавов и полимерных композиционных материалов [22], применение которых постоянно возрастает как в нашей стране, так и за рубежом. К основным эффективным способам нанесения порошковых твердых сплавов на поверхности изношенных деталей относятся плазменное напыление и плазменная наплавка [234, 253, 258], которые наиболее полно удовлетворяют техническим и технологическим требованиям благодаря таким преимуществам, как высокая производительность, широкая возможность легирования свойств наносимых покрытий, большой диапазон регулирования ввода теплоты в основной и присадочный материалы, ограниченное тепловое воздействие на обрабатываемую деталь и уменьшение ее деформации, возможность нанесения любых присадочных материалов и др. [52]. В области применения низкотемпературного нагрева для восстановления и упрочнения деталей машин и оборудования значительные исследования выполнены Всероссийским научно-исследовательским технологическим институтом ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ФГБНУ ГОСНИТИ), Федеральным научным агроинженерным центром ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), Институтом металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН), Институтом машиноведения имени А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН), Научно-учебным комплексом «Специальное машиностроение» МГТУ имени Н.Э. Баумана, Национальным исследовательским центром «Курчатовский институт», Центральным научно-исследовательским институтом конструкционных материалов «Прометей», Российским государственным аграрным университетом — МСХА имени К.А. Тимирязева, Национальным исследовательским Мордовским государственным университетом имени Н.П. Огарёва, Московским автомобильно-дорожным государственным техническим университетом (МАДИ), Московским авиационным институтом (национальным исследовательским университетом) (МАИ) и др. Из газотермических методов нанесения покрытий наиболее полно исследованы плазменное напыление, плазменная наплавка 6
и весьма ограниченно — плазменное напыление с оплавлением. Однако для определенной номенклатуры деталей, в частности деталей технологического оборудования типа «пластина», этот способ является весьма эффективным и актуальным. В этих условиях появилась настоятельная необходимость обоснования научно-методических основ и разработки новых научно-технических и технологических подходов, обеспечивающих комплексный учет всех взаимосвязанных факторов при восстановлении и упрочнении деталей технологического оборудования плазменным методом в условиях свеклосахарного производства. Таким образом, очевидно, что разработка и внедрение универсальных высокоэффективных технологий, обеспечивающих повышение износостойкости деталей промышленного оборудования за счет применения способов плазменного нанесения и упрочнения покрытий, являются важнейшими народнохозяйственными проблемами, решение которых вносит значительный вклад в устойчивое развитие производства отечественного продовольствия и сырья, достаточное для обеспечения продовольственной безопасности страны. В связи с этим монография посвящена разработке эффективных ресурсосберегающих технологий повышения износостойкости тяжелонагруженных деталей технологического оборудования предприятий сахарной промышленности плазменным методом нанесения и упрочнения высококачественных покрытий. 7
Глава 1. СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗНОШЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ 1.1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА ОБОРУДОВАНИЯ СВЕКЛОСАХАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА Одной из задач стратегии национальной безопасности Российской Федерации является преодоление научно-технической и технологической зависимости страны от внешних источников. Сегодня на свеклосахарное производство России возложен комплекс задач. Основной задачей выступает производство сахара. Свеклосахарное производство России входит в состав единого агропромышленного комплекса государства. Производя продукцию для других отраслей промышленности, свеклосахарное производство способствует повышению эффективности, снижению затрат и росту конкурентоспособности отечественной продукции [136, 199]. В настоящее время свеклосахарное производство страны включает более 70 сахарных заводов, расположенных по всей территории Российской Федерации с общей численностью работающих около 60 тыс. человек и входящих в структуру различных холдингов (Приложение А). На рынке присутствует пять крупных вертикально интегрированных структур, на долю которых в 2015 г. приходилось свыше 50% от объема товарного рынка. В пятерку топовых производителей входят группы компаний «Продимекс», «Сюкден», «Русагро», «Доминант» и «Разгуляй». Лидеры сахарной отрасли России — Группа компаний «Продимекс» (компания Prodimex Farming Group, Кипр) и ПАО «Группа «Русагро» (г. Тамбов, Россия). На долю Группы компаний «Продимекс» приходится 25% всего сахарного производства страны. Ежегодно 16 заводов холдинга перерабатывают более 4 млн т сахарной свеклы и выпускают более 1,5 млн т сахара. В частности, на ОАО «Ольховатский сахарный комбинат» (Воронежская область) впервые в России реализована технология извлечения сахара из мелассы. 8
Структура свеклосахарного производства ОАО «Ольховатский сахарный комбинат» (Группа компаний «Продимекс») представлена в Приложении Б. Содержание такого состава и структуры свеклосахарного производства обусловлено экономическими возможностями холдинга, в который входят сахарные заводы. Проведенные исследования в период с 2000 по 2022 г. показали, что исходя из количества вспомогательных подразделений, наличия специалистов и оборудования каждый сахарный завод способен выполнять только мелкие работы по ремонту оборудования сахарного завода (при сроках восстановления — до начала очередного сахарного сезона) [117]. Анализ выполняемых работ вспомогательными подразделениями показывает, что на оснащении у сахарных заводов имеются в основном механические мастерские с небольшим количеством технологического оборудования различного наименования (табл. 1.1). Таблица 1.1 Оборудование для технического обслуживания и ремонта Тип оборудования Механическая мастерская Подъемное Газосварочное Станки заточные Станки токарные Электросварочное Станки расточные Станки фрезерные Кузнечные молоты Станки сверлильные Станки строгательные Деревообрабатывающее Станки для резки металла Отдел главного механика 1 2 1 4 2 1 1 2 2 1 1 3 Промышленное оборудование в период переработки сахарной свеклы, как правило с сентября по декабрь, теряет работоспособность вследствие естественного износа, а также чрезвычайных ситуаций. Возможные замены деталей машин и оборудования при эксплуатации могут составлять 5–7% в сутки [136]. Учитывая, что продолжительность ремонтных работ по восстановлению ра9
ботоспособности машин и оборудования может составлять от нескольких часов до суток, более половины оборудования потребует ремонта. Необходимо отметить, что особенностью потока отказов оборудования является их распределение между различными сборочными единицами [52, 281]. Детали современного промышленного оборудования свеклосахарного производства работают при высоких температурах, скоростях трения и контактных давлениях. С течением времени эксплуатации оборудования возрастает количество повреждений и деталей, подлежащих ремонту и замене. Анализ данных показал, что из общего потока отказов оборудования сахарных заводов до 70% отказов приходится на износы и поломки деталей. Особенно велик износ деталей оборудования, которые эксплуатируются в агрессивных и абразивных средах. Анализ данных показал, что срок службы ножей свеклорезных машин для нарезания свеклы в среднем составляет не более 16 ч при норме 32 ч [211]. Внутренние поверхности корпусов диффузионных аппаратов требуют восстановления через два — три сахарных сезона (4–6 месяцев). На дробильно-измельчительных машинах при дроблении известкового камня для газовых печей дробящие плиты и сита требуют замены после каждого сахарного сезона. Компрессоры, установленные в технологических линиях переработки сахарной свеклы, требуют капитального ремонта после 1200–1500 ч работы, практически после каждого сахарного сезона. В данных условиях основным, а в ряде случаев и единственным, средством восполнения деталей промышленного оборудования сахарных заводов в период переработки сахарной свеклы является их ремонт. Техническая оснащенность — одна из главнейших составных частей свеклосахарного производства. Поэтому при переработке сахарной свеклы важная роль отводится техническому обслуживанию и ремонту сахарных заводов, направленному на поддержание оборудования в работоспособном состоянии за счет улучшения организации ремонта. От качества решения этих вопросов во многом будет зависеть общий успех выполнения задач по переработке сахарной свеклы в сезон, которое требует повышения их надежности и производительности, улучшения использования и обеспечения работоспособного состояния. Специфика ремонта промышленного оборудования сахарных заводов определяется системой особых условий. На современном этапе к особым условиям, влияющим на эффективность функционирования системы технического обслуживания и ремонта, формируемых в основном производителями промышленного оборудования свеклосахарного производства, относятся: экономическая обстановка в регионе; природно-климатические условия; наличие 10