Наукові школи та розробки кафедри ТСРВ

ЗАСНОВНИК НОВИХ НАУКОВИХ НАПРЯМКІВ

На базі кафедри технологічних систем ремонтного виробництва підготовлено та успішно захищено понад 70 дисертацій, частковий перелік яких наведений нижче

НОВІ НАУКОВІ РОЗРОБКИ КАФЕДРИ «ТЕХНОЛОГІЧНІ СИСТЕМИ РЕМОНТНОГО ВИРОБНИЦТВА» В ГАЛУЗІ «МЕХАНІЧНА ІНЖЕНЕРІЯ»

Узагальнюється діяльність кафедри «Технологічні системи ремонтного виробництва». За 25 років науково-учбової діяльності на кафедрі розроблялися новітні технології за 6 напрямами досліджень, які використовувались в учбовому процесі та впроваджувалися у виробництві.

Науково-дослідна робота кафедри «Технологічні системи ремонтного виробництва» базувалася на пріоритетних напрямах розвитку науки і техніки, які відповідають інноваційній діяльності та науковій школі співробітників.

Це стало можливим завдяки творчої співпраці зі спеціалістами різних металургійних та машинобудівних підприємств, а також – Харківського регіону, до яких відносяться завод ім. В.О. Малишева, ХТЗ, Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» (ННЦ ХФТІ) та фірма ТОВ «Спеціальні наукові розробки».

Основні напрями досліджень проводилися для підвищення якості виробів з різними підходами. До них відносяться такі:

1) виробництво нових типів формуючого інструмента для одержання прокату різного сортаменту;

2) нові технологічні процеси у машинобудуванні зміцненням висококонцентрованими джерелами енергії – лазерним, плазмовим, електроіскровим, радіаційним методами;

3) створення нового обладнання та технологій для відновлення деталей(воднево-кисневим полум’ям, нанесенням покриттів з дозованим введенням домішок, термічною обробкою, спеціальним деформуванням та інш.);

4) для економії енерговитрат та матеріалів, розроблені технології відновлення деталей з використанням вторинної сировини, а також нові підходи їх використання;

5) розробка та впровадження нанотехнологій для зміцнення та відновлення деталей і виробів різного призначення;

6) розробка ефективних напрямів контролю якості з використанням нових неруйнівних методів.

Такий набір інноваційних напрямів досліджень став можливим завдяки обладнанню кафедри, що включає не тільки спеціальне устаткування для проведення дослідницької діяльності на першому етапі розробок, а і комп’ютерні класи, принтер 3D, що дозволили проводити теоретичні дослідження, моделювати процеси та розробити комплекс оптико-математичних методів оцінки фазового складу та співвідношення структурних складових при різних способах зміцнення і етапах експлуатації.

Завдяки таким підходам у науковій діяльності кафедри за 25 річний період її праці в інституті «Технічного сервісу» було підготовлено 24 кандидати та 3 доктора технічних наук, та лише 2 з них не були співробітниками університету.

Виконані розробки є інноваційними та це підтверджується посиланнями у Scopus (складає 59 публікацій) та h=4.

Основний склад співробітників кафедри є стабільний та підготовлені спеціалісти вищої кваліфікації успішно працюють в інших інститутах ХНТУСГ ім. П. Василенка. Зараз на кафедрі «Технологічні системи ремонтного виробництва» проводять наукові дослідження 6 пошукачів наукового ступеню кандидата технічних наук та 4 – доктора технічних наук.

Стисло розглянемо кожний напрям досліджень, що виконувався за цей період фахівцями кафедри. Згідно першого напряму, розроблені нові технології виробництва прокатних та борошномельних валків з високовуглецевих сплавів, які відрізняються підвищеним рівнем експлуатаційних властивостей. Це відливання їх методом центробіжного лиття на машинах з вертикальною та горизонтальною вісями обертання. Для забезпечення необхідної якості і підвищення їх експлуатаційної стійкості використовували додаткове легування, модифікування різними домішками (вторинною сировиною – шлаками, золами від спалювання вуглю, модифікаторами різного покоління, в тому числі, Supersid, Resid, які з’явилися у виробництві лише в останні роки). Для їх використання розроблені спеціальні технологічні процеси, які забезпечили стабільні властивості модифікування сплавів. Ефективність використання процесів обробки рідкого стану вирішувалась і коригуванням швидкості кристалізування робочого шару спеціальною попередньою підготовкою обладнання, наприклад, підігрівом металевої форми виливка до температури, яка забезпечує необхідні параметри витримки фазових перетворень в інтервалі температур 700→500ºС та 200ºС (магнітне перетворення карбідної фази – цементиту), або 400-450ºС – для інструменту високолегованого (високохромистого чавуну). При таких параметрах виробництва інструмент можливо і не термообробляти тому, що він має мінімальні напруження та забезпечує максимальний розпад залишкового аустеніту, що суттєво знижує його схильність до викрошування при експлуатації. Така технологія виробництва, в залежності від матеріалу валків забезпечує підвищення їх ресурсу на 7,7-17,0%. Значний внесок в підвищення якості високовуглецевих матеріалів валків мають і способи позапічної обробки рідкого металу у ковшах вакуумом та продувкою газами.

За тематикою наукової діяльності спеціалістів розроблені нові енергозберігаючі технології виробництва інструмента для формоутворення металу (рейок, сорту, листа – товстого та тонкого, для сільгоспмашинобудування). Це вироби масою від 1,0 кг до 36т.

На основі теоретичних досліджень, розрахунку теплового стану робочих валків та прокатної полоси розроблено методику проектування системи охолодження. Вона ефективна для листових станів гарячої прокатки: 1700, 2800 та 3000. Нова технологія забезпечує енерго- та ресурсозбереження і зменшує на 25 % потребу у охолодженні прокатних валків при експлуатації, а також знижує тиск металу на валки в найбільш навантажених проходах клетів, підвищує плоскостність металу, знижує потребу в формуючому інструменті на 10% за рахунок оптимізації теплового режиму експлуатації на стані.

Забезпечення високою плоскостності металу сприяє підвищенню якості виготовлених деталей штампуванням у машинобудуванні, а також при виробництві гнутих профілей.

Авторами представленої роботи також виконано моделювання, а потім одержано спеціальний деформований гнутий профіль на 180˚. Досліджено його деформівний стан. Розроблені ефективні енергосилові параметри валкової деформації дліномірних виробів з продовж сформованими гофрами. Виявлені чинники неякісного формування гофрів та надані обґрунтовані параметри їх одержання виробником.

Конкретні вироби та деталі, які використовували та розробляли для різних галузей, відображені у напрямах механічної інженерії (транспортному, важкому, сільськогосподарському, переробному виробництві та у харчовій промисловості).

Ряд виробів, які поставляються металургійною промисловістю, є особливо відповідальними за перевезення вантажів та функціювання України. Це такі, як рейки та рейкові підкладки, тому що вони відповідають за рух залізничного транспорту, безпеку перевезень. В цьому напряму досліджень новітні технології базувалися на детальному вивченні первинної структури злитку рейкових сталей (виготовлених традиційним методом та заготівель безперервного відливання) до- та заевтектоїдного вмісту, якості різних технологій термообробки. Встановлено вплив хімічного складу і властивостей металу на експлуатаційну стійкість рейок та формування контактно-втомлених дефектів, руйнувань. На базі досліджень рекомендовано використання мікролегуючих домішок – ванадію, за рахунок чого в сталях з підвищеної долею  та , отримали високоміцні рейки.

Розроблені рекомендації по обладнанню та технологічним параметрам відпалу рейок ТВЧ (ток високого струму) та підкладок – електронним випромінюванням. Розробки є новітніми та впроваджені і використовуються на металургійному комбінаті ЧАО МК «АЗОВСТАЛЬ», де працює 3 лінії рейковідпалюючих машин.

Велику увагу приділяли впливу технологіям формовки профілю та термообробки на ліквацію компонентів у рейках, що вносять негативний вплив на формування структури, яка не допускається діючою нормативно-технічною документацією. Для цього розробили спеціальні підходи для виявлення такої структури (бейніту, мартенситу) оптико-математичним методом.

Впровадження нових технологій виробництва рейок проводили на спеціальній колії з контролем навантаження та зміною температур навколишнього середовища. Оцінювали чинники відмов та корегували якість металу легуванням, мікролегуванням, модифікуванням та попередньою перед відпалом обробкою для одержання сфероїдальної структури перліту.

Результати розробок впроваджені на Лутугінському науково-виробничому комбінаті прокатних валків, а також металургійних підприємствах України, державах СНД та дальнього зарубіжжя (Китай, Німеччина, Польща, Індія, Мексика, Румунія, Чехія), на які поставлялася продукція.

Згідно другого напряму досліджень, що стосується машинобудування, то вони базувалися на багаторічному досвіді колективу виконавців, який підтвердив, що ефективність відновлення техніки суттєво залежить від якості металу та використання нових, інноваційних технологій.

В зв’язку з цим, на кафедрі виконано цикл робіт, який включає пов’язані між собою напрями, що базуються на експериментальних, теоретичних, промислових дослідженнях та впровадженнях у виробництво.

Розроблені нові методики досліджень (згідно коерцетивної сили, оптико-математичного методу оцінки структури металу, спеціальних вимірювань мікро- та нанотвердості, пружності, зносостійкості та інш.), які використовували для оцінки ступеню напружень, механічних властивостей, розпаду залишкового аустеніту при термічній обробці, встановлення якості нанесених покриттів, а також для виявлення дефектів у виливках, при штампуванні та змін їх структурного стану металу до і після експлуатації. Це використовували для корегування технологій, які забезпечували оптимальні параметри виробництва. Для випробування новітніх технологій відновлення створювали спеціальні стенди.

Успіхи творчого колективу у напряму машинобудування полягають у наступному. На основі вивчення конкретних умов експлуатації деталей з оцінкою чинників їх відмов, з встановленням етапів деградації металу і поведінки спряжень, увагу приділяли пошуку нових технологій для підвищення експлуатаційної стійкості. Процеси тертя та зношування моделювалися на спеціальному обладнанні в експериментальних умовах, теоретичними розрахунками у різних трібосистемах. Такі розробки були основою для надання рекомендацій по використанню у виробництві. Для забезпечення підвищення експлуатаційної стійкості використовували та рекомендували спеціальні ефективні домішки до змащувальних середовищ. Як показано комплексними дослідженнями, компоненти домішок створюють разом з киснем плівкові захисні покриття та суттєво підвищують зносостійкість. Товщина цих плівкових покриттів не однорідна та змінюється на поверхні тертя від 300 до 700 нм. Встановлено, що найбільш ефективними домішками до змащувальних середовищ є такі, що містять достатньо кисню. Тому ефективними були суміші одержані детонаційним методом зі вторинної сировини, які насичені цим компонентом. Вперше виконані дослідження з оцінкою ефективного використання детонаційної шихти, одержаної від утилізації боєприпасів. Її розподіляли за складом та фракціями: магнітною та не магнітною. Остання містить наноалмази та графіт, які використовували не тільки як домішку до зменшення зносу, коефіцієнту тертя у спряженнях, а і – модифікуючу складову рідкого стану при відновленні деталей наплавленням.

На основі поведінки спряжень у експлуатації, оцінки ступеню їх зношування та процесів деградації металу деталей розроблені методи їх відновлення (наплавленням з додатковим легуванням або модифікуванням, використанням нанопокриттів, зміцненням пластичним деформуванням).

Підтримка необхідного технічного стану та показників надійності і ефективності праці машин, агрегатів, обладнання забезпечували за рахунок своєчасного їх технічного обслуговування, ремонту та відновлення деталей з використанням новітніх технологій, що дозволило підвищити їх стійкість до 40%.

Особлива увага приділялася розрахункам параметрів відновлення та зміцнення деталей на підприємствах по ремонту техніки. Для цього розроблена спеціальна класифікація деталей, згідно вибору способу їх ефективного відновлення. Вона базується на урахуванні поверхні деталей, що планується до відновлення та розподіляється по 11 класам. Це деталі типу тіл обертання та ті, що не є такими. Класифікація включає основні напрями відновлення. Надаються рекомендації для використання обладнання та нових технологій відновлення.

Ефективними були розробки відновлення деталей з використанням висококонцентрованих  джерел енергії. Це відновлення валів різного призначення електроіскровим та плазмовим методами, електролітичних покриттів поршневих кілець з послідуючою обробкою низькотемпературною плазмою для залікування дефектів – пор, тріщин та інших дефектів, зміцнення дліномірних деталей лазерним промінням та рейкових підкладок – електронним промінням.

Згідно третього напряму досліджень на кафедрі удосконалено і створено нове обладнання для випробування та впровадження нових технологічних процесів. До них відносяться устаткування для зварювання різними методами (використання лазерного та плазмового комплексів, створені допоміжні пристрої для проведення інноваційних технологій відновлення деталей різної форми та ваги).

Створення обладнання для електролітичного нанесення покриттів хромуванням та залізненням з використанням нанодомішок, які однорідно розподіляються при кристалізуванні.

Таке обладнання дозволяє розробляти оптимальні технологічні процеси зміцнення та відновлення робочих поверхонь з дозованим введенням модифікуючих домішок та контролювати їх вплив з використанням металографічних методів досліджень, фізико-механічних випробувань, моделюванням оптико-математичним описом фазового складу та їх співвідношенням по фотографіях мікроструктур, випробуваннями на зношування. Одночасно розроблено і технологію зменшення пороутворення та тріщин при хромуванні з обробкою низькотемпературною плазмою такого покриття на поршневих кільцях. Створено обладнання для водородо-кисневого зварювання, яке суттєво зменшує використання енергоносіїв.

При проведенні експериментальних досліджень, моделюванні технологічних процесів фахівці кафедри співпрацюють з відомими дослідниками Харківщини: завода ім. В.О. Малишева, ХТЗ, УФТІ, ХПІ та інш.

По четвертому напряму досліджень для економії енерговитрат, матеріалів використовуються нові підходи, які стосуються ефективних методів зміцнення спеціальними умовами коригування параметрів лиття, пластичного деформування виробів при їх кристалізуванні, зміцненні, а також модифікуванні новим поколінням домішок та вторинною сировиною.

Для економії енерговитрат високолегованих виробів розроблені спеціальні методи циклічної низькотемпературної термообробки виливків великої маси для найбільш повного розпаду аустеніту.

Введення модифікуючих домішок дозволило підвищити фізико-механічні властивості та їх експлуатаційну стійкість.

Новизна таких розробок полягає у способах введення домішок, забезпеченні їх рівномірного розподілу, досягненні необхідного рівня властивостей, зменшенні схильності відновлюючих покриттів до пороутворення, підвищення зчеплення з основою. Такі технічні рішення дозволили вводити не тільки дозовано легуючі компоненти, а і наноалмази, які не розчинюються, не агрегатуються та забезпечують рівномірний їх розподіл, не осідають у рідкому розчині. Новий підхід до зміцнення з використанням спеціального пристрою при наплавленні суттєво забезпечує підвищення твердості, зносостійкості, зменшення зерен у структурі відновленого шару, якісне з’єднання покриття з основою.

Згідно п’ятого напряму досліджень, що стосується розробки та впровадження нанотехнологій, то зміцнення нанопокриттями розробляли для тонкостінних ножів подріблення горіхів. При цьому запроваджували конструктивні рішення, використання різних складових покриттів та оптимальну товщину нанесення шару. Враховувалися можливості перегріву тонкостінних виробів при зміцненні, а також одноразового досягнення не тільки показників твердості, a і таких, як втомлена міцність, самозагострювання, схильність до корозії, що важливо для харчової промисловості. Зміцнений інструмент не тільки забезпечив підвищення довговічності, але і безпеку використання (виключили можливість руйнування при експлуатації з попаданням металу у продукцію).

Вперше розроблені спеціальні прилади для одноразового зміцнення 16 ножів з доведенням товщини покриття від 900 нм до 4 мкм без перегріву ріжучої кромки інструмента товщиною 0,1 мкм. При цьому використовували зміцнення лише з однієї поверхні ножа, що забезпечило його самозагострення при експлуатації. Попередньою ВЧ обробкою ріжучого інструмента зменшили схильність до корозії, що також сприяло очищенню та зглаженню пор на поверхні вихідного металу.

Товщину покриттів до 4 мкм без перегріву забезпечили циклічним нанесенням наношарів. Таке комплексне рішення проблеми досягли на основі теоретичних розрахунків температурних полів, оцінки дифузії вуглецю та легуючих компонентів, виявлення характеру формування зон деформацій та напружень. Якість інструменту при виготовленні, зміцнені та експлуатації оцінювали спеціально розробленими методиками неруйнівного контролю.

Нова технологія зміцнення інструменту розроблена разом зі спеціалістами УФТІ і впроваджена на ПАТ кондитерська фабрика «Харків’янка» Зносостійкість ножів суттєво залежить від товщини покриття та вихідної якості їх металу. З підвищенням якості холоднокатаного металу ножів та їх зміцненні до 4 мкм стійкість зростає з переробки горіхів від 0,9 т до 200 т. при використанні одного комплекту інструмента. Така технологія є новітньою та її використання для тонкостінного інструмента розроблена і впроваджена вперше.

Творча співпраця науковців зі спеціалістами підприємства ТОВ «Спеціальні Наукові Розробки» внесла значний вклад в створення та коригування нових технологій виробництва, зміцнення, умов експлуатації по рівню показника коерцитивної сили, який відбиває зміну структурного стану та рівень напружень виробів при їх експлуатації, характеризує стан перед руйнування. Такі розробки відносяться до шостого напряму досліджень.

Використовуючи метод неруйнівного контролю якості для виробів та деталей різного за формою та вмістом компонентів, базувалися на багато рокових дослідженнях, які дозволили поставити своєчасну задачу в кожному випадку вимірювань спеціалістам-розробникам приладів.

Дослідженнями встановлено:

• ступінь впливу на вимірювання форми виробу або деталі (ступінь контакту перетворювачів з поверхнею, що оцінюється);
• ступінь впливу фазового складу металу (особливо долі аустеніту);
• ступінь впливу напружень у виробах при їх виробництві, термообробці, зміцненні (в залежності від способів одержання та якості металу);
• ступінь зміни показників по перетину робочого шару виробу в залежності від технології зміцнення (одноразове використання магнітних перетворювачів різного розміру).

Таке обладнання особливо ефективно для використання з оцінки деградації металу конструкцій у період їх перед руйнуванням з попередженням запобігання випадків виникнення небезпеки. Нове обладнання та технології вимірів спеціально розроблено для використання покриттів від нано- до макротовщин.

Розробки з використанням обладнання та технології вимірів знайшли відображення у підготовленому стандарті СОУ 29.32.4-37-532; 2006 «Неруйнівний контроль якості магнітним методом при технічному обслуговуванні та ремонті» та були відмічені, як «Кращий вітчизняний товар 2014 року».

Неруйнівні методи досліджень використовували для оцінки якості виробів, деталей при виробництві, експлуатації та відновленні: рейок, рейкових підкладок, металопрокату, відливок, валів, поршневих кілець, гільз циліндрів, корпусів різного призначення, робочих органів сільськогосподарських машин, ножів у харчовому виробництві та інших деталей у машинобудуванні.

Дослідженнями показано, що виготовлення деталей з різнотовщинної заготовки суттєво знижує довговічність робочих органів. Такий дефект мають і вироби, які виготовлені у США, Канаді, Росії. Це додатково супроводжується нерівномірною деформацією при їх штампуванні та впливає на довговічність у експлуатації і якість відновлення (формуються не однорідні властивості).

При передачі нових рішень на підприємства розробляли технологічні інструкції на процеси виробництва, способи використання, контролю якості.

Наукові розробки опубліковані та перекладались у Китаї, США, Німеччині, Франції, Великої Британії, Південній Кореї, Польщі, Росії, Молдові, Білорусі, Казахстані, Чехії, Болгарії, Канаді та інш.

Новітні технології, розроблені в університеті використовуються при викладенні курсів «Ремонт машин», «Нанотехнології», «Матеріалознавство», «Методологія наукових досліджень».