ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Производство фрикционно-регенерирующих составов»

Рекомендуемая область пременения

ТЭК, теплоэнергетика, нефтегазовая, горнодобывающая промышленность, транспорт, ВПК, машиностроение, ЖКХ, судостроение.
- уменьшение расхода топлива;
- увеличение ресурса моторного и трансмиссионного масла;
- увеличение ресурса автомашины до капитального ремонта;
- восстановление значительных износов деталей ЦПГ, КШМ, плунжерных и золотниковых механизмов, гидросистем , ТНВД, подшипников, редукторов в двигателях внутреннего сгорания без разборки;
- снижение потребления электроэнергии;
- уменьшение вибрации и шума двигателя и агрегатов трансмиссии.
- облегчение запуска двигателя при отрицательных температурах

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта – разработка современных высокоэффективных и экологичных технологий, позволяющих резко сократить и кардинально повысить эффекты энергопотребления путем повышения долговечности и безотказности машин, повышение ресурса машин, что в будущем должно привести к переходу     практически на безремонтную эксплуатацию.

Затраты на ремонт машин, оборудования, транспортных средств составляют миллиарды рублей, на запасные части расходуется более одной пятой части выплавленного металла, в некоторых отраслях каждый четвертый рабочий занят ремонтом машин. Двигатели автомобилей , тракторов, комбайнов за весь срок службы ремонтируют до пяти раз, а их ресурс после ремонта оставляет лишь 30-50% ресурса от  основных двигателей. При этом рабочих, ремонтирующих двигатели, в несколько раз больше, чем производящих новые, а затраты на ремонт значительно выше затрат на изготовление. Вследствие несовершенства технологии ремонтных предприятий детали отремонтированных двигателей имеют малый срок службы: 20-30% ресурса двигателей расходуется за первые часы его работы. В настоящее время только автомобильные двигатели ремонтируют сотни малых, недостаточно технологически оснащенных ремонтных предприятий.

Затраты на ремонт и техническое обслуживание многих машин за период эксплуатации в 5-15 раз превышает стоимость машины. Например, объем трудовых затрат в % за срок службы автомобиля распределяется так: изготовление- 1.4, на техническое обслуживание- 45.4, на текущий ремонт- 47 и на капитальный ремонт- 7.2. Такая структура затрат объясняется главным образом недостаточной долговечностью и безотказностью машин и механизмов, что вызывает необходимость частных технологических воздействий на изделие – технических обслуживаний и ремонта, выполняемых с целью предупреждения или уменьшения износов и повреждений.

Из приведенных данных видно, насколько актуальными являются мероприятия, связанные с уменьшением трения и износа деталей машин и механизмов.

На различных этапах развития науки и техники учеными выдвигались различные теоретические основы для объяснения природы трения.

Накопленный в результате экспериментальных исследований материал широко используется при решении многих практических задач, связанных с трением и изнашиванием  трущихся пар машин и механизмов. Исходные теоретические положения различных теорий, объясняющих явление трения и изнашивания, выдвинутых в различные периоды развития техники, сводятся к механическим, молекулярным и молекулярно-механическому действию трущихся поверхностей.

Однако эффект безизносности и разработка на его основе методов повышения износостойкости открывают новый этап в развитии триботехники. Узлы трения работают при высоких давлениях с низкими потерями на трение, в срок службы узлов трения машин и механизмов с использованием эффекта безизностности по сравнению с существующими узлами трения увеличивается в 5-10 раз. Для использования эффекта безизностности необходимо в качестве присадок к смазочным материалам (как к жидким, так и твердым) использовать материалы, содержащие в своем составе металлы в растворенном виде. Использование новых видов присадок к смазочным материалам требует анализа физико-химических процессов, происходящих на поверхности трения, для определения оптимальных условий работы сопряженных поверхностей.

Особый интерес представляет получение универсальных композиций для смазочных материалов, содержащих в своей структуре металл в растворенном виде, который мог бы выполнить функции формирования поверхностного слоя, обеспечивающего безизносность узла трения. В этом случае в зависимости от условий работы узла трения на поверхности трения могут возникнуть определенные структуры, содержащие в основном металл, введенный  в состав композиции, что создает широкие возможности регулирования свойств смазочных материалов. Это позволит внести вклад в комплекс знаний о регулировании антифрикционных свойств кинематических систем, осуществления в этих системах химических и физико-химических процессов.

Использование эффекта безизносности создает условия для создания высоокэкономического, практически ничем неограниченного , в том числе и временем срока  эксплуатации двигателя или механизма, детали которого изготовлены из любых металлов, а к металлосодержащим материалам предъявлены лишь требования, определяющие возможность их перевода в раствор или стабильный коллоидный раствор в органическом растворителе.

Таким образом, процессы получения металлосодержащих соединений не только дают новые соединения с заранее заданными свойствами, но и помогают решать важные научно-технические проблемы. Эти методы получения растворов применяются для улучшения свойств многих известных смазочных материалов, например, для повышения антифрикционных и противоизносных свойств, обеспечивающих реализацию процесса самопроизвольного восстановления ионов металла на металлических поверхностях.

Одним из путей борьбы с износом, трением и обеспечением надежности и долговечности техники является технология избирательного переноса (открытие Российских ученых- профессоров Крагельского и Гаркунова), позволяющая добиться «безизносности» при работе узлов трения за счет автокомпенсации износа.

Открытие эффекта «безизносности» и изучение его механизмов создало условия для реализации избирательного переноса и создания композиций, действие которых основано на эффекте автокомпенсации износа и формирование поверхностей трения с заданными антифрикционными свойствами, а также решить ряд задач по восстановлению изношенных узлов без разборки узлов и двигателей, редукторов, топливной аппаратуры и др.

К числу таких материалов относится ФРС, функциональное значение которых – восстановление цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма без разборки двигателя внутреннего сгорания и др. Предварительные результаты , полученные в период 1980-1992 гг при испытании композиций «ФРС», «ФРС -1 МЦВ», «ФРС-1 МКВ», и т.д. в ЦНИДИ, НАМИ, в автопарках г. Ленинграда, в Якутии, Приморском крае, Красноярском крае и т.д., на территории России позволили отработать составы и принципы получения композиции и принять основу производства.

Результаты , полученные на различных предприятиях, приведены в актах.

Из приведенных ниже данных видно, что композиции, разработанные для повышения ресурса машин, их долговечности обладают высокими свойствами и обеспечивает надежность работы узлов трения, а также способствует улучшению окружающей среды за счет уменьшения выбросов вредных веществ.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Предлагаемые разработки позволяют увеличить ресурс трущихся деталей различных узлов и механизмов, снизить расход топлива и загрязнение окружающей среды при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, обеспечить повышение герметичности и долговечности уплотнений за счет применения новых технических и технологических решений, применения специальных составов и более полного использования энергии, выделяющейся при горении.

В настоящее время в узлах трения двигателей внутреннего сгорания используется широкий ассортимент металлических, полимерных и композиционных материалов, масел и смазок с различными присадками, способствующих повышению их технических  свойств, включая возможность устранения дефектов, возникающих при износе поверхностей.  Однако, как показывает длительная практика эксплуатации машин и механизмов, в северных условиях, особенно зимний период, поток отказов резко возрастает. Затраты на ремонт машин, потери от простоев техники и недополучения продукции достигает колоссальных размеров. Особенно это характерно для  горнодобывающей промышленности  и нефтегазовой отрасли, использующих технику большой единичной мощности.

Следует отметить, что основная доля отказов машин при этом обусловлена выходом из строя деталей узлов трения. Повышение технических характеристик антифрикционных материалов ,  а также горюче-смазочных материалов являются одним из наиболее важных факторов, обеспечивающих высокую эффективность эксплуатации машин и механизмов в условиях Крайнего Севера.

Необходимо подчеркнуть, что в двигателях внутреннего сгорания потери на трение являются основной причиной снижения их КПД. Поэтому, исследования, направленные  на разработку новых антифрикционных материалов, масел и смазок,  в конечном итоге будут обеспечивать не  только повышение их ресурса, но и сокращение расхода топлива.

Кроме того,  обеспечение условий более полного сгорания топлива, а также уменьшение расхода горюче-смазочных материалов в значительной мере понизят уровень загрязнения окружающей среды выхлопными газами и различными вредными и токсичными веществами, теряющимися при разгерметизации уплотнений.

Зарубежные технологии для обеспечения двигателей также предлагают разнообразные  антифрикционные материалы, масла и смазки, однако их высокая стоимость и дополнительные транспортные и таможенные издержки существенно повышают себестоимость добываемой продукции – минерального и органического сырья.

На практике также отмечаются ситуации, когда зарубежные поставщики техники для ремонта поставляют не запасные детали – уплотнения или подшипники, а агрегаты, например, не уплотнительные манжеты к насосам, а насосы и т.д.

Создание нового поколения рассматриваемых в предлагаемом проекте материалов , технологий их получения и переработки позволит дополнительно в значительной мере улучшить технико-эксплуатационные показатели двигателей машин, повысить их конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынках.

Основным технологическим методом , разработанным для создания перспективных материалов, является широкое применение структурной модификации механически активированными наноразмерными порошками тугоплавких соединений различного химического состава. При взаимодействии нанонаполнителей возможно направленное формирование структуры и регулирование свойств композитного материала. Получаемые при этом нанокомпозитные материалы отличаются от своих оригиналов по основным показателям в сотни и тысячи раз.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Принцип действия ФРС основан на том , что в своей структуре они имеют металл в растворенном виде, который выполняет функции формирования поверхностного слоя , обеспечивающего безизносность узла трения. В зависимости от условий работы узла  трения на поверхности трения  возникают определенные  структуры , содержащие в основном металл, введенный в состав композиции, что создает широкие возможности регулирования свойств смазочных материалов. Это в свою очередь  создает условия для высокоэкономического,  практически неограниченного срока эксплуатации двигателя или механизма, детали которого изготовлены из любых металлов. К металлосодержащим материалам предъявлены  лишь требования, определяющие возможность их перевода в раствор или стабильный коллоидный раствор в органическом растворителе.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Для нанокомпозитов антифрикционного назначения на основе наноматериалов, кроме улучшения указанных параметров, планируется существенное повышение допустимых нагрузок за счет снижения проявлений вязкоупругих свойств, расширение температурного диапазона эксплуатации.

Для композитов на основе наноматериалов дополнительно к указанным будет уменьшена адгезия примерзания к металлам (в 6-10 раз) и стойкость к воздействию агрессивных сред (в 2-5 раз).

Воздействие ФРС на триботехнические реакции при трении будет способствовать не только снижению износа трущихся деталей, но и в связи с реализацией и активизацией процессов избирательного переноса обеспечивать восстановление микродефектов, возникающих при изнашивании.

В двигателях внутреннего сгорания существует в зависимости от количества цилиндров до тысячи трущихся сопряжений и уплотнений. Неисправность хотя бы одного из них может являться причиной отказа и необходимости проведения внепланового ремонта. Продление межремонтных периодов также является важной проблемой повышения эффективности эксплуатации машин.

В связи с изложенным, ожидается, что разработанные в рамках проекта материалы  будут востребованы и машиностроителями, и эксплуатационниками.

Для производства предлагаемых нанокомпозитов сырье -  жидкие композиции и нанопорошки различного химического состава выпускаются в достаточном количестве. Никаких ингредиентов зарубежного производства не потребуется.

Полученная продукция – материалы, детали узлов трения, модифицированные масла и смазки предназначаются для потребления на внутреннем рынке, в том числе и для обеспечения запчастями импортной техники, а также для экспорта.

Следует отметить, что разрабатываемые технологии модификации материалов не  требуют создания специального технологического оборудования. Для их реализации используются только выпускаемые промышленностью аппараты – планетарные мельницы, смесители и т.д. Поэтому стоимость новых материалов будет повышаться незначительно (на 10-30 %), что многократно компенсируется повышением надежности и долговечности машин, снижением расхода топлива, увеличением КПД и т.д.

Обоснование объемов финансированияпо антифрикционным составам

Общий объем финансирования проекта - 72 млн руб

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Основные составы ФРС и их эффективность

1.ФРС-1М - присадка к моторным и трансмиссионным маслам

Увеличивает: ресурс  а\м до кап.ремонта в 2-3 раза, мощность двигателя на 7-10%.

Уменьшает: расход топлива на 5-7%.

Уменьшает шум вибрацию двигателя и агрегатов трансмиссии в 1.5-2 раза. Облегчает запуск двигателя на морозе. Улучшает свойство масла в 2 раза. Соответственно ресурс масла увеличивается в 2-3 раза.

2.ФРС-1НК        -  композиция для раскоксовки колец (поршневых) и очищения камеры сгорания от нагара всего за 20 минут для двигателя а\м типа ВАЗ. После применения не требует замены масла.

3.ФРС-1МЦВ      - композиция для восстановления значительных износов деталей ЦПГ в двигателях внутреннего сгорания без разборки путем образования в зоне трения металлоорганической пленки. Расчетное количество композиции вводится в камеру сгорания через свечное отверстие. Эффект от применения проявляется в течение 100 км пробега а\м и сохраняется на 30 тыс. км пробега.

4.ФРС-1МКВ      - композиция для восстановления значительных износов деталей КШМ ДВС без разборки путем образования металлоорганической пленки на шейках и вкладышах коленчатого вала. Эффект от применения проявляется в течение 200 км пробега а\м и сохраняется на 30 тыс.км пробега.

5.ФРС-1ВН         - композиция для восстановления с разборкой или без разборки прецизионных сопряжений, имеющих небольшие износы, плунжерные и золотниковые механизмы, гидросистемы, ТНВД дизельных двигателей и т.д.

6.ФРС-2                -композиция для восстановления подшипников, редукторов (при применении композиции снижается потребление электроэнергии на 4-10%)

Новые потребительские свойства продукции

Снижение металлоемкости
Снижение энергопотребления
Снижение аварийности
Снижение трудоемкости
Высокая экономичность

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

За период с 1994 года выполнены работы по технологии ФРС по крупным ДВС (ДЭС, теплоходы, тепловозы) более чем на 100 единицах.
АТС (КАМАЗ, КРАЗ, легковой транспорт) более чем на 1000 единицах.
Восстановлено свыше 1000 единиц подшипников, свыше 100 единиц пневмоцилиндров,
Выполнены НИОКР по снижению затрат износа реборд колес и боковых поверхностей рельс и т.д.
Полученные за последние годы результаты на ДЭС п.Оленек и п.Саскылах, ОАО «ЛОРП», ОАО «Речной порт», г.Находка, Красноярском крае и Хакасии, однозначно говорят о высокой эффективности технологии ФРС в области экономии ГСМ, увеличения межремонтного периода в 3 и более раз, резкого снижения токсичности выброса выхлопных газов.
Полученные результаты, в зависимости от типа и исходного состояния ДВС, дают возможность экономить 8-45 г/квт.ч на ДЭС или 4-15% дизельного топлива, масла на угар в 2-3 раза, снижения токсичности выхлопа на 20-40%, увеличения КПД ДВС на 5-10%, увеличение межремонтного периода в 3 и более раз.
Учитывая среднее ежегодное потребление дизельного топлива в количестве 81 тыс.тн, моторного масла 1200тн и средних годовых затрат на ремонт ДВС – 65 млн.руб. (данные по ОАО «Якутскэнерго»).
Экономия может составить (берутся минимальные значения):
-по дизельному топливу
81000 тн х 4% = 325- тн х 13 тыс.руб = 41600 тыс.руб.
-по маслу
1200 тн : 3 = 400 тн х 19 тыс.руб. = 7600 тыс.руб.
-по снижению затрат на ремонт
65 млн.руб. х 0.1 = 6.5 млн.руб.
ИТОГО: 55.7 млн.руб.
Из опыта работы затратная часть на ФРС составляет пятую, и даже шестую часть, т.е. 10 млн.руб. или годовая эффективность может составить минимум - 45 млн.руб. в первые 2-3 года при применении восстанавливающих составов, и в последующие годы при применении в основном «поддерживающих» составов 150-200 млн.руб.
(Опыт показывает, что окупаемость затрат составляет 4-5 месяцев).
На автотранспорте расчеты показывают, что применение технологий ФРС может давать в год из расчета на 100 АТС до 10.6 млн.руб .
При применении технологии ФРС-2 по восстановлению и увеличению ресурса подшипников, экономический эффект может составлять на каждые 1000 подшипников до 700 тыс.руб.
Кроме этого, технология и составы ФРС-2 позволяют увеличивать ресурс сальниковых набивок водяных насосов более чем в 10 раз, любых редукторных систем, зубчатых передач, в том числе, венцовых шестерен дробильных мельниц, экскаваторов и т.д. в 3-5 раз.

С П И С О К
предприятий и организаций,
на которых проведены работы
по технологии ФРС

1. ОАО «Якутгазпром»
1994-1998г.г.
ДЭС п.Мастах и п.Кызыл-Сыр ДВС-Г-68, В-2 АТС – 20 шт.

2.ОАО «Якутскэнерго»
1995-2004 г.г.
ДЭС Олекминск, Среднеколымск, Оленек, Саскылах, Депутатский,
Оймякон, Батамай и т.д.
ДВС-Г-72, ДГА-315, ЯМЗ-236(238), А-01 и т.д. более 20 шт.
ЯТЭЦ увеличение ресурса сальников набивок.

3.ОАО «ЛОРП»
1995-2004г.г.
т\х «Сибирский» и т.д.
ДВС-Г-60 более 20 шт.

4.ОАО «Якутский речной порт»
1996-2004г.г.
«Ракеты», «Метеоры», теплоходы.
ДВС-Г-70, 64Н 18\22, М-400, М-401 более 20 единиц.

5. ГУП «Сахасельхозэнерго»
ДЭС п.Сангары 2001г.
ДВС-Г-72 - 2 шт.

6.ОАО «Якутзолото» 1998 г.
Нежданинский ГОК – ДВС-Г-72 – 2 шт.

7.г.Находка, ОАО «Ленатранс» 1998-2004 г.г.
теплоходы, ДВС-Г-60 – 8 шт.

8.Красноярская жел.дорога 1998-2004г.г.
тепловозы ДВС-124Н 26\26 – 8 шт.

9.Саяногорский Алюминиевый комбинат 1998-2004г.г.
тепловозы ДВС 124Н 26\26, 2ДУ-100 – 4 шт.

10.Красноярский Алюминиевый комбинат 1998-2004 г.г.
Восстановление пневмоцилиндров подъемных машин анодов

11.Красноярская жел.дорога 1998-2004г.г.
Снижение износа реборд колес и боковых поверхностей рельс.
Восстановление подшипников и увеличение их ресурса.

Предлагаемые инвестиции

72 млн. руб.

Рынки сбыта

Потребители продукции - предприятия нефтегазовой, горнодобывающей промышленности , транспорта и энергетики.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая технология позволит значительно сократить, а в дальнейшем отказаться от закупок импортных ФРС.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

29.09.2006