CC BY
116
УДК 621.7 DOI: 10.12737/2555
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ
ДЕТАЛЕЙ ОБОРУДОВАНИЯ И ИНСТРУМЕНТА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И СФЕРЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ
Прокопенко Анатолий Константинович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой технологии машиностроения, prokopenkoak@mail.ru,
Беляев Виктор Иванович, старший преподаватель кафедры технологии машиностроения, viktobelyae@yandex.ru
ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологий»,
Москва, Российская Федерация
Голубев Андрей Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры общетехнических и естественнонаучных дисциплин,
apgolubev@mail.ru,
Голубев Олег Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры сервиса, golubevop@mail.ru
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,
Москва, Российская Федерация
Тюфтяев Александр Семенович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, зав. лабораторией плазменных технологий (процессов),
astp@mail.ru,
Мордынский Виталий Брониславович, кандидат технических наук,
старший научный сотрудник лаборатории плазменных технологий (процессов),
16mvb@mail.ru
ФГБУН «Объединенный институт высоких температур Российской академии наук»,
Москва, Российская Федерация
Предлагаются экологически чистые нанотехнологии для повышения срока службы деталей машин оборудования и инструмента производств легкой промышленности и сферы обслуживания на основе последних достижений отечественной науки и техники. Технологии отличаются высокой эффективностью и простотой в использовании.
Ключевые слова: плакирование, металлоплакирование, пароводяная плазма, газодинамика, холодное напыление, композиционные покрытия, износостойкость.
Качество швейных, кожаных и меховых изделий, элементов дизайна и малых архитектурных форм в первую очередь зависит от применяемых материалов и технического состояния оборудования, инструмента и используемых технологий. Износ
деталей и инструмента является основной причиной сокращения срока службы машин, ухудшения их работоспособности. Большинство операций на швейном, обувном, трикотажном и меховом производствах выполняются при высоких скоростях и нагрузках в условиях повышенной влажности и ограниченной подаче смазочного материала.
Основной причиной быстрого изнашивания трущихся деталей и инструмента являются механохимические процессы, происходящие в зоне фрикционного контакта материалов деталей или в зоне контакта режущего инструмента с обрабатываемым материалом [2]. Текстильные и кожевенные материалы чаще всего представляют собой полимеры, которые, как и вода, в результате трибодеструкции могут выделять атомарный водород, вызывающий водородное изнашивание металлов [1]. Элементы дизайна и малые архитектурные формы, изготовленные из неметаллических материалов, также подвергаются вредному воздействию окружающей среды, а традиционно применяемые методы защиты поверхностей оказываются малоэффективными.
Для повышения срока службы деталей технологического оборудования и придания материалам необходимых эксплуатационных характеристик были разработаны экологически чистые технологии на основе последних достижений отечественной науки и техники.
Металлоплакирующие нанотехнологии на основе «эффекта безызносности»
Технологии основаны на использовании «эффекта безызносности», который состоит в создании условий динамического равновесия при трении деталей из металла [1]. Это достигается путем введения в зону трения вместе со смазочным материалом растворимых экологически безопасных химических соединений металлов в концентрации от 0,1 до 0,001%, способных взаимодействовать с основным металлом деталей [5]. На рабочих поверхностях деталей узлов машин и механизмов во время изготовления, ремонта, обкатки и эксплуатации под действием трения может быть сформирована металлсодержащая защитная пленка из пластичного металла толщиной 0,5...5 мкм, которая надежно предохраняет различные по форме детали (пары трения) от изнашивания, в том числе водородного и коррозии (рис. 1). В отдельных случаях наблюдается практическая безызносность деталей.
г
1этап...................1................2-шал*
Рисунок 1 - Схема металлоплакирования поверхности детали из стали или чугуна при трении с медьсодержащей добавкой
Защитное покрытие может быть сформировано фрикционной обработкой в металлосодержащей среде. В качестве материала инструмента, как правило, используются резина или текстиль, войлок, фетр, пропитанные металлосодержащей средой. Роль инструмента могут выполнить трущиеся детали. При ограниченной подаче смазочного материала данное покрытие, обладая высокой пористостью, выполняет функцию донора смазки и разделяет трущиеся поверхности (рис. 2).
Производственное применение технологий показало возможность снижения износа узлов трения не менее чем в 1,5...2 раза, снижения потерь на трение до 30%, сокращения времени обкатки до 4 раз, уменьшения уровня шума на 10.15 дБ.
Рисунок 2 - Подшипник качения после фрикционной обработки в металлоплакирующей среде:
а) детали подшипника качения; б) поверхность трения обоймы подшипника после обработки в металлоплакирующей среде
Для повышения стойкости режущей кромки лезвийного инструмента разработаны технологии обработки, обеспечивающие требуемую геометрию кромки с одновременным ее упрочнением защитным композиционным покрытием (рис. 3).
Производственные испытания и внедрение этих технологий при срезании краев деталей верха обуви, обработки кожи и меха продемонстрировали повышение стойкости ножей в 2,5.. ..3 раза.
Рисунок 3 - Микрошлиф режущей кромки ножа после упрочняющей обработки
в металлоплакирующей среде
Внедрение металлоплакирующих добавок в парафинирующий состав при обработке нитей и пряжи во время перемотки позволяет уменьшить ворсистость и обрывность нитей, износ направляющих мотальных машин и вязального оборудования не менее чем в 2 раза [2, 3, 5].
Формирование поверхностного слоя деталей в потоках энергии
Обработка проводится направленным потоком энергии (электрической искрой), который частично оплавляет поверхность изделия, способствует осаждению материала электрода и его проникновению в обрабатываемый металл, легируя его и придавая новые улучшенные характеристики поверхностному слою толщиной в несколько микрометров.
Предлагаемые технологии просты в освоении и применении, основаны на использовании отечественного малогабаритного оборудования и могут быть рекомендованы крупным и малым предприятиям для локального нанесения многофункциональных покрытий [2].
Возможные области применения: упрочнение режущего инструмента производственного и бытового назначения, метало- и дереворежущего инструмента (резцов, сверл, фрез, пил и т.п.), повышение износостойкости трущихся поверхностей деталей машин, ленточных и дисковых ножей, резаков швейного и обувного оборудования, набоек каблуков, лопат, топоров и скребков (рис. 4, 5).
Рисунок 5 - Формирование противоизносного поверхностного слоя на режущей кромке ножа для вырубания деталей обуви
Нанесение композиционных покрытий на конструкционные материалы
пароводяной плазмой
Нанесение защитных покрытий производится с помощью малогабаритных (масса до 6 кг) пароводяных плазменных установок отечественного производства. Отличительной особенностью установок является невысокая стоимость, низкое энергопотребление (около 2 кВт при напряжении 220 В) и экологическая безопасность. Это позволяет использовать их практически в любых условиях.
Нанесение покрытия происходит следующим образом. Электрическая дуга в горелке превращает воду сначала в парообразное, а затем в плазменное состояние. Пар ионизируется и выходит из сопла в виде струи плазмы. Порошкообразный материал, из которого формируется покрытие, вводится в струю плазмы, оплавляется и наносится на обрабатываемую поверхность [2, 3].
Толщина защитных покрытий регулируется в пределах от одного до несколько десятков микрометров.
Проведенные исследования показали возможность использования стандартных порошковых красок отечественного и зарубежного производства для формирования полимерных и металлполимерных покрытий на элементы дизайна и изделий легкой промышленности из металла, керамики, дерева, бумаги, пластмассы и других материалов (рис. 6, 7 ,8).
Рисунок 6 - Композиционное покрытие на картоне
б) в)
Рисунок 7 - Детали из конструкционных материалов с полимерным покрытием: а) из обожженной глины; б) из керамики, в) из дерева
Нанесение многофункциональных покрытий высокоскоростным воздушным потоком
Формирование покрытия на твердых поверхностях производится за счет эффекта закрепления движущихся со сверхзвуковой скоростью частиц при контактном
взаимодействии с материалом детали. Нанесение покрытий производится при незначительном тепловом воздействии на обрабатываемое изделие. Технология экологически безопасна, возможно нанесение покрытия любой толщины и состава на локальные участки поверхностей [5].
Предлагаемая технология отличается надежностью простотой в использовании и обслуживании в условиях эксплуатации.
Особенно эффективно применение этого метода для защиты деталей машин, малых архитектурных форм и элементов дизайна из металла, керамики, мрамора, бетона. Детали с нанесенными покрытиями показаны на рисунках 8, 9.
Рисунок 8 - Металлическое покрытие на детали из бетона
Рисунок 9 - Сформированная поверхность детали сложного профиля
из разных металлов
Выводы
Вышеописанные технологии прошли широкую апробацию на различных предприятиях, производящих изделия легкой промышленности, и получили высокую оценку специалистов. Они просты в освоении, не требуют значительных капитальных вложений при внедрении, экологически безопасны и характеризуются высокой эффективностью.
Литература
1. Гаркунов, Д.Н. Триботехника: учеб. пособие // Д.Н. Гаркунов, Э.Л. Мельников, В С. Гаврилюк. - М.: КНОРУС, 2011. - 408 с.
2. Инновационные производственные технологии для малых предприятий: процессы, инструменты и устройства / под ред. В.С. Белгородского. - М.: РИО МГУДТ, 2011. - 149 с.
3. Новые высокоэффективные производственные технологии: справочное пособие / под общ. ред. А.К. Прокопенко. - Мытищи, Талант, 2008. - 80 с.
4. Повышение срока службы деталей машин и инструмента металлоплакированием: монография / А.К. Прокопенко, А.П. Голубев, Г.П. Зикеев, А. А. Корнеев. - М.: ИИЦ МГУДТ, 2010. - 87 с.
5. Прокопенко, А.К. Избирательный перенос в узлах трения машин бытового назначения: монография. - М.: Легпромбытиздат, 1987. - 104 с.
DEVELOPING A PRODUCTIVE METHOD OF EXTENDING LONGEVITY OF
EQUIPMENT UNITS AND TOOLS IN CONSUMER GOODS INDUSTRY AND
SERVICE INDUSTRY
Prokopenko Anatolii Konstantinovich, Doctor of Engineering, Professor, Head of the Department of Mechanical Engineering, Moscow State University of Design and Technology,
Moscow, Russia, prokopenkoak@mail.ru,
Beliaev Viktor Ivanovich, Senior Lecturer at the Department of Mechanical Engineering, Moscow State University of Design and Technology, Moscow, Russia, viktobelyae@yandex.ru,
Golubev Oleg Petrovich, Candidate of Engineering, Associate Professor at the Department of Service, Russian State University of Tourism and Service, Moscow, Russia, golubevop@mail.ru,
Golubev Andrei Petrovich, Candidate of Engineering, Associate Professor at the Department of General Engineering and Science, Russian State University of Tourism and Service, Moscow,
Russia, apgolubev@mail.ru,
Tiuftiaev Aleksandr Semenovich, Candidate of Engineering, Senior Researcher, Head of the Laboratory of Plasma Technologies, Joint Institute for High Temperatures (JIHT), Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia, astp@mail.ru,
Mordynskii Vitalii Bronislavovich, Candidate of Engineering, Senior Researcher at the Laboratory of Plasma Technologies, Joint Institute for High Temperatures (JIHT), Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia, 16mvb@mail.ru
The article suggests implementing eco-friendly cutting-edge nanotechnologies to ensure extended longevity of equipment units and tools employed in the consumer goods and the service industry, arguing in favour of the high efficiency and the ease of use that the technologies demonstrate.
Key words: sheathing, metal-plaque, gas dynamics, cold spraying, composite coating, wear resistance.
References
1. Garjunov, D.N. Tribotexnika [Triboengineering]. Uchebnoe posobie [A study guidebook]. Moscow: KNORUS, 2011. - p.408.
2. Belgorodskii, V.S. Innovatsionnye proizvodstvennye tekhnologii dlia malykh predriiatii: protsessy, instrumenty i ustroistva [Innovative Manufacturing Technologies in the Context of Small-Scale Business: Processes, Tools and Devices]. Moscow: RIO VGUDT, 2011. - p.149.
3. Prokopenko, A.P. Novye vysokoeffektivnye proizvodstvennye tekhnologii : spravochnoe posobie [Modern High-Efficiency Manufacturing Technologies: a reference-book]. Mytishchi: Talant Publ., 2008. - p.80.
4. Prokopenko, A.K., Golubev, A.P., Zikeev, G.P., & Korneev, A.A. Povyshenie sroka sluzhby detalei mashin i instrumenta metalloplakirovaniem [Extending unit and tool cycle-life through metal-plaque technologies]. - Moscow: IITs MGUDT Publ., 2010. - p. 87.
5. Prokopenko, A.K. Isbiratel'nyi perenos v uzlakh treniia mashin bytovogo naznacheniia [Wear-Free Transfer in Household Devices Friction Units]. Moscow: Legprombytizdat, 1987. - p.104.
