Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса восстановления подшипниковых узлов и выбор направления исследований 10
1.1. Аналитический обзор способов восстановления деталей машин 10
1.2. Применение порошковых материалов в машиностроении и ремонте 16
1.3. Анализ отказов и условий эксплуатации подшипниковых узлов трения шасси лесных машин 25
1.4. Анализ изнашиваемости подшипниковых узлов трения шасси лесных машин 26
1.5. Выбор представительной детали и формулирование цели работы и задач исследования 32
2. Технология нанесения покрытия из композиционных материалов приминительно к подшипниковым узлам лесных машин 36
2.1. Разработка технологического процесса восстановления 36
2.2. Разработка пресс-формы для восстановления втулок с применением композиционных материалов 38
2.3. Определение оценочных показателей восстановления деталей лесных машин с использованием композиционных материалов 42
3. Общая методика исследований 48
4. Исследование физико-механических свойств композиционных материалов 54
4.1. Микроструктура спеченного покрытия 54
4.2. Исследование твердости по длине и толщине покрытия 56
4.3. Исследование микротвердости по площади покрытия 58
4.4. Исследование пористости покрытия 61
4.5. Исследование коррозийной стойкости композиционных материалов 64
5. Исследование долговечности композиционных покрытий 68
5.1. Испытание влияния параметров технологического процесса на прочность сцепления с основным материалом 68
5.2. Исследование влияния параметров технологического процесса на интенсивность изнашивания сопряжений 81
5.3. Определение коэффициента долговечности 90
5.4. Исследование структуры покрытия из ЖГр07Д25 спеченного в оптимальном режиме 92
6. Оптимизация параметров технологического процесса и опеделение технологической себестоимости нанесения покрытия 95
7. Расчет экономической эффективности от внедрения технологии восстановления втулок лесных машин нанесением композиционного покрытия 102
7.1. Эксплуатационные испытания 102
7.2.Определение условного ресурса сопряжения 103
7.3. Расчет экономического эффекта от внедрения способа восстановления втулок путем нанесения композиционного покрытия 104
Основные выводы и рекомендации 109
Список использованной литературы 111
Приложения 117
- Анализ изнашиваемости подшипниковых узлов трения шасси лесных машин
- Разработка пресс-формы для восстановления втулок с применением композиционных материалов
- Исследование влияния параметров технологического процесса на интенсивность изнашивания сопряжений
- Расчет экономического эффекта от внедрения способа восстановления втулок путем нанесения композиционного покрытия
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящей работе предлагается новое решение проблемы повышения долговечности деталей лесных машин с использованием порошковых композиционных материалов при восстановления. Благодаря возможности варьирования физико-механическими свойствами порошковых спеченных композиций их можно использовать как для восстановления малонагруженных деталей машин (редуктора, транспортеры, насосы, компрессоры), так и применительно к тяжело- нагруженным деталям и узлам машин (шасси лесных автомобилей и тракторов). Также следует учитывать тот факт, что многие детали шасси и подъемного механизма лесных тракторов при износе подшипников скольжения по заводской технологии следует заменять, а использование композиционных материалов позволяет их восстанавливать. А это в свою очередь приносит значимую экономию материала.
Цель работы. Повышение долговечности подшипников узлов при ремонте путем применения композиционных материалов.
Объекты и методы исследования. Объектом исследований являются подвижные сопряжения ходовой части лесных машин. Теоретические и экспериментальные исследования выполнены на основании принятия оптимальных решений, теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна. Установлены теоретические и подтверждены экспериментально зависимости выходных факторов технологического процесса нанесения покрытия с применением композиционных материалов при ремонте деталей лесных машин с эксплуатационными показателями. Установлено, что рассмотренные в работе материалы значительно меньше подвержены коррозии чем сталь 45, из которой изготовлено большинство подшипников скольжения. Экспериментально доказана адекватность разработанной математической модели оптимизации технологического процесса нанесения покрытий композиционными материалами, определяющая качество процесса, технологическую себестоимость.
На защиту выносятся следующие положения:
Наиболее целесообразным способом восстановления рабочих поверхностей стальных втулок лесных машин с износом до 1,0 мм является метод спекания композиционных материалов.
Параметрические зависимости влияния факторов технологического процесса восстановления рабочих поверхностей втулок композиционными материалами на прочность сцепления и износостойкость.
Математическая модель оптимизации режимов технологического процесса восстановления рабочих поверхностей втулок с применением композиционных материалов.
Оптимизационные режимы процесса восстановления втулок лесных машин с применением композиционных материалов при ремонте.
Рекомендации по восстановлению рабочих поверхностей втулок лесных машин и получения износостойких покрытий из композиционных материалов на конкретных ремонтных предприятиях отрасли.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработан перспективный технологический процесс восстановления подшипниковых узлов лесных машин с учетом специфики их эксплуатации, обеспечивающая при его внедрении в производство повышение ресурса в 1,4-1,5 раз по сравнению с базовым вариантом. Результаты исследований могут быть использованы при разработке перспективного способа изготовления втулок на машиностроительных предприятиях, выпускающих лесные машины. Вследствие эксплуатационных испытаний установлено, что с внедрением композиционного покрытия отказы блоков шарниров трактора ЛХТ-100 снизились на 40%.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Санкт-Петербургской Государственной Лесотехнической академии имени С.М. Кирова и Санкт-Петербургского Государственного Политехнического университета, а также на второй международной научно-практической интернет-конференции «Леса России в XХI веке» в 2008-2010 гг., и отражены в отчетах по НИР.
Публикации. По результатам исследований опубликованы 4 печатных работы, из них 1 в издании, рекомендованном ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, основных выводов и рекомендаций, а также списка литературы. Общий объем работы 119 стр. Диссертация содержит 34 рисунка, 24 таблицы, список литературы содержит 101 наименование из которых 5 иностранная литература.
Анализ изнашиваемости подшипниковых узлов трения шасси лесных машин
На первом этапе прессования (рис. 1.4.) при невысоких давлениях прессования прочность растет быстрее давления, что связано с тесным переплетением частиц порошка. На втором этапе прочность возрастает приблизительно пропорционально давлению прессования. Это связано с тем, что. на данном этапе, с одной стороны, растет упрочнение металла, вследствие чего увеличение роста прочности снижается. С другой стороны, еще больше увеличивается переплетение частиц, способствующее росту прочности. Эти факторы фактически нейтрализуют друг друга и поэтому возрастание прочности пропорционально росту давления. На третьем этапе при высоких давлениях упрочнение металла сказывается в большей степени и скорость роста прочности брикета снижается. Процесс прессования сопровождается также явлением взаимного схватывания частиц. Это явление выражается в срастании частиц при их совместном пластическом деформировании и обдирании при этом окисленной пленки. На обнаженных металлических поверхностях начинают активно действовать силы атомного сцепления, так как вследствии искажения кристаллической решетки повышается энергия поверхностных слоев. Явления схватывания совместно с механическим зацеплением частиц приводит к образованию прочного каркаса спрессованного брикета, одновременно затрудняя его дальнейшее уплотнение.
Оптимальный режим давления при напекании порошка на деталь составляет 40-г60 МПа, что соответствует пористости получаемого слоя в пределах 8-ь12%.[73]. График изменения общей пористости от давления прессования для железного порошка представлен на рисунке 1.5 [53]. В зависимости от пористости порошковых материалов в широких пределах изменяются их физико-механические свойства. Рассмотрим некоторые физические свойства металлических порошков. Физические свойства металлических порошков. Металлические порошки характеризуются разнообразными свойствами, значение которых может изменяться в зависимости от предполагаемого применения порошковых материалов. Однако практически всегда необходимо знать химический состав (содержание основного металла, примесей и газов), физические (размеры и форма частиц, их удельная поверхность, плотность и твердость) и технологические (насыпная плотность, текучесть, прессуемость и формуемость) свойства порошков. В определенных случаях регистрируются и такие комплексные физико-химические свойства порошков, как стойкость против коррозии, пирофорность (способность к воспламенению), абсорбционная способность и др. Форма частиц полностью определяется способом изготовления порошка и теми параметрами, которые поддерживались в процессе его производства. Знание формы частиц необходимо, ибо известно, что она существенно влияет на основные технологические свойства порошков. Ясно, что форма частиц определяет и их удельную поверхность. Частицы карбонильных и распыленных порошков чаще всего имеют сферическую (шаровидную) форму; восстановленных—губчатую; измельченных в шаровых и вихревых мельницах — осколочную, тарельчатую; электролитических — ветвистую (дендритную). От формы частиц зависят насыпная плотность, прессуемость и формуемость порошка. Самой высокой прочностью обладают прессовки из порошков, частицы которых имеют дендритную форму, менее прочны прессовки из порошков со сферической формой частиц. Влияние режимных параметров на форму частиц можно показать на примере распыления чистого алюминия. При распылении расплава этого металла горячим инертным газом частицы получаемого порошка имеют сферическую форму, у частиц алюминия, распыленного холодным азотом, преобладает каплевидная форма, а при использовании в качестве энергоносителя воды поверхность частиц получается рваной. На форму частиц распыленного металла влияют степень вязкости и величина поверхностного натяжения металлического расплава, параметры дутья, среда, в которой происходит распыление, скорость кристаллизации частиц, а также физико-химические процессы, протекающие на границе металл—газ [72]. Благодаря высокой вязкости расплава частицы порошков приобретают сферическую форму, однако, воздействие потока энергоносителя значительно деформирует их. После прохождения зоны интенсивного воздействия на распыленный металл потока газа или воды частицы олова, например, стремятся приобрести сферическую форму. Чем протяженнее зона формирования частиц и меньше скорость их кристаллизации, тем выше сферичность частиц порошков. Если вводить в зону распыления охлаждающую жидкость, то частица быстрее затвердевает в форме деформированной капли.
Как отмечается в [72], наибольшие отклонения от сферической формы имеют частицы, ошлакованные твердыми окислами, которые снижают межфазное натяжение, повышают вязкость металла. Такое явление наблюдается при; распылении сплавов с высоким содержанием алюминия, а также в тех случаях, когда на поверхности жидкого металла имеются тугоплавкие окислы. Если легирующие добавки служат сильными раскислителями, повышают поверхностное натяжение расплава и не образуют тугоплавких окислов, то сферичность частиц порошков обеспечена в наибольшей степени. Частицы порошков высокоактивных по отношению к кислороду металлов (Al, Mg, Ті, Zn, Zr и др.) будут иметь сферическую форму только в том случае, если расплавы данных металлов распылять инертными газами в безокислительной среде.
Размеры частиц. Какой бы способ получения металлического порошка не использовался, его частицы никогда не имеют одинаковых размеров, т. е. они всегда полидисперсны. Наибольший разброс по размерам присущ частицам восстановленных и электролитических порошков.
Разработка пресс-формы для восстановления втулок с применением композиционных материалов
Структурная схема технологического процесса восстановления рабочих поверхностей втулок машин композиционными материалами представлена на рисунке 2.1.
Технологический процесс восстановления начинается с операции подготовки рабочей поверхности втулки к нанесению покрытия. Для этого рабочие поверхности подвергают механической обработке (растачиванию) на токарном станке 1К-62 с использованием специальных резцов с пластинами из твердых сплавов (ТІ5К6, Т5К10, ВК6, ВК8).
В целях повышения прочности сцепления покрытия с основным материалом рекомендуется, чтобы поверхность детали имела шероховатость Rz= 20... 160 мкм, которая измеряется профилографом ЩП-17 ГОСТ 170623 [17]. Для придания порошку определенных химических, физических и технологических характеристик, обеспечивающих выпуск продукции с нужными конечными свойствами, возникает необходимость в специальных операциях подготовки, так как при производстве порошков невозможно учесть все те требования, которые предъявляют к порошкам различные потребители. Основными операциями при подготовке порошков являются сушка, встряхивание, просеивание и дозировка. Обычно сушка порошка производится в сушильном шкафу при температуре выдержки 150-200С в течении 1,5...2,0 часа, при легком встряхивании и постоянном перемешивании [26]. Просеивание производится при помощи стандартного набора сит диаметром отверстий от 0,05мм до 1мм. Дозирование порошков производится при помощи аналитических или лабораторных весов с точностью измерения массы до 0,01 грамма. Самой ответственной операцией при восстановлении рабочих поверхностей втулок является холодное прессование порошков в закрытых пресс-формах, которое производится с использованием прессового оборудования. Для реализации данной операции производится сборка пресс-формы, засыпка необходимой дозы порошка в свободное пространство пресс-формы, двухстороннее прессование порошка. Для этой цели могут применятся гидравлические, пневматические, электрические прессы с создаваемой нагрузкой до 10 тонн. По окончании процесса прессования производится разборка пресс-формы и визуальный контроль качества наносимого покрытия. Следующей операцией ТПВД является высокотемпературное спекание покрытия с основным материалом в защитной среде. Практической целью спекания является достижение определенного уровня требуемых свойств, формирующихся в процессе нагрева исходного порошкового тела. Спекание порошковых материалов - это тепловая обработка свободно насыпанного порошка при прессовании заготовок при 0,7 - 0,9 температуры плавления металла порошка в однокомпонентной смеси или ниже температуры плавления основного металла в многокомпонентной системе порошков. Спекание любой системы состоит из нагрева изделий до заданной температуры, изотермической выдержки при этой температуре и охлаждения до комнатных температур. Обычно при спекании порошковых изделий применяют такие среды, как вакуум, водород, диссоциированный аммиак, эндо- и экзотермические газы, а также нейтральные газы - аргон, азот и другие. В нашем случае применяется вакуум. После спекания производится контроль качества покрытия. Данный контроль выполняется визуально и с применением неразрушающих методов. Это проявляется в контроле изделий на предмет наличия видимых и скрытых дефектов в покрытии в виде расслоений, трещин, сколов, и других механических повреждений, а также измерении геометрических размеров детали, твердости, микротвердости покрытий. Для операции прессования порошковых композиционных материалов используются закрытые пресс-формы (рис. 2.2.). В качестве технологического оборудования, выполняющего данную операцию, используется стандартное прессовое оборудование (гидравлические, электрические, пневматические прессы) с развиваемым усилием на пуансоне до 10 тонн. В нашем случае применялся гидравлический пресс. ЗИМ Р-10 №276 ГОСТ 7835-70. Для формообразования композиционного покрытия на внутренней поверхности подшипника скольжения необходима пресс-форма, геометрический и прочностной расчет, которой представлен ниже.
При выполнении расчетов по проектированию пресс-формы необходимо учесть габаритные размеры подшипника скольжения, насыпную и компактную плотность шихты, линейную и объемную усадку порошка при спекании, и так далее.
Деталями любой пресс-формы являются: матрица, пуансоны и стержень. В целях получения высококачественных формовок применяется двухстороннее прессование (пресс-формы с нижним и верхним пуансонами). Данные детали проектируются и изготавливаются с особо высокой точностью (по 5-6 квалитету) из углеродистых сталей У10, У12А, шлифуются, полируются и периодически в процессе эксплуатации смазываются графитовой смазкой. В целях увеличения износостойкости рабочие детали пресс-формы проходят цикл закалки токами высокой частоты [25].
Исследование влияния параметров технологического процесса на интенсивность изнашивания сопряжений
Высокотемпературное спекание покрытий производилось в вакуумной печи периодического действия типа СПВ-1.3.1./20И1. Разряжение в камере контролировалось ионизационным вакуумметром НИТ-2П с допускаемой погрешностью определения состояния вакуума ±2,10" мм рт. ст. (2 мА на приборе). Для непосредственного контроля, регулирования и стабилизации температуры термопечь снабжена автоматическим измерительным комплексом АПИР-С с точностью задания температуры ±5С и допустимой погрешностью 0,5%. В качестве материалов для проведения исследований выбраны три современных композиционных материала: АНС. 100.29, ЖГр05Д18 и ЖГр07Д25, так как покрытия, изготовленные из них наиболее соответствуют условиям эксплуатации сопряжений лесных машин (предварительно был проведен анализ 11 порошковых материалов приведенных в параграфе 1.1.).
Подготовка композиционных материалов перед нанесением покрытий заключается в их просушке при температуре 150-200С в течении одного часа в сушильном шкафу типа Ш-005.
На основании исходных данных (номенклатуры восстанавливаемых деталей, условий их эксплуатации, определения износов рабочих поверхностей при дефектации, коэффициентов годности, технологии нанесения покрытия с применением композиционных материалов и т.д.) определены образцы для проведения экспериментальных исследований. В зависимости от условий испытаний и назначения все образцы были разделены на следующие группы: 15 образцов для исследования физико-механических свойств композиционных материалов и выбора наиболее подходящего для лесной промышленности; 57 образцов для исследования прочности сцепления покрытия с основным материалом; 31 образец для исследования интенсивности изнашивания покрытия из композиционного материала; 4 образца для исследования структуры спеченного покрытия в оптимальном режиме; 8 образцов для эксплуатационных испытаний, итого 115 образцов. В качестве материала для изготовления образцов использовалась сталь 45 ГОСТІ050-94, применяемая для изготовления большинства (около 80%) стальных втулок лесных машин.
Исследуемые зависимости находятся во взаимосвязи с целым рядом факторов и случайных воздействий. Поэтому экспериментальные исследования технологического процесса восстановления проводились с использованием многофакторного планирования эксперимента, в основе которого лежит использование упорядоченного плана расположения экспериментальных точек. Планирование эксперимента применялось с целью оценки значимости исследуемых факторов и построения поверхности отклика для оптимизации разрабатываемого технологического процесса восстановления деталей лесных машин. Кроме того, применение многофакторного планирования эксперимента позволило сократить трудоемкость исследовательских испытаний путем уменьшения необходимого числа дорогостоящих опытов и одновременно повысить точность полученных результатов. Уровни факторов и интервалы варьирования выбирались на основе априорных сведений, целесообразно с технологическими возможностями экспериментов. Причем центр плана выбирался в области, максимально приближенной к области оптимума.
В соответствии с поставленными задачами исследования спланированы и осуществлены два полнофакторных эксперимента второго порядка типа 24 и 2 с преобразованием параметра оптимизации и факторов. Для определения адекватности, однородности и значимости уравнения регрессии использовались критерии Кохрена, Стьюдента и Фишера.
Перед проведением опытов составлялась матрица планирования и по таблице случайных чисел определялась последовательность проведения опытов. Каждый из опытов проводился трехкратно. После получения математической модели исследуемых параметров и проверки их адекватности осуществлялся переход к их натуральным значениям.
При прогнозировании ресурса восстановленных деталей необходимо учитывать физико-механические и эксплуатационные свойства наносимых покрытий.
Структура материала при восстановлении деталей лесных машин определяет его физико-механические и эксплуатационные свойства, поэтому характеристика материала детали обязательно включает описание его структуры, даже если выдержаны заданные химический состав и технология изготовления. Для сравнительного анализа наносимые покрытия изготавливались из трех современных композиционных материалов: АНС.100.29, ЖГр05Д18 и ЖГр07Д25, по физико-механическим свойствам наиболее подходящих к условиям эксплуатации подшипников скольжения [74]. Технология нанесения композиционных покрытий на исследуемые образцы включала в себя подготовку порошка, прессование и высокотемпературное спекание[79].
Исследуемые образцы покрытий получены при следующих технологических режимах: исходная шероховатость поверхности Rz=87,75-92,25 мкм, давление прессования Р=292,5-307,5 МН/м , температура спекания t=1070-1080C, время выдержки при температуре спекания Т=3 часа, защитная среда — вакуум.
Расчет экономического эффекта от внедрения способа восстановления втулок путем нанесения композиционного покрытия
В процессе эксплуатации подвижные сопряжения воспринимают различные по величине радиальные нагрузки, скорости скольжения под действием которых происходит износ рабочих поверхностей сопряженных деталей. Учитывая специфику работы лесозаготовительных машин, обращено внимание на то, что большинство сопряжений работает в условиях одноразовой смазки, а в зазоры сопряжения зачастую попадают составляющие почв (кварцевый песок, глина и т.д.). Такого рода взаимодействие усиливает процесс износа сопрягаемых деталей, что приводит к увеличению доли отказов (в основном размерный износ) основных узлов шасси трактора ЛХТ-100.
Поэтому очень важным является экспериментальное апробирование технологических режимов полученных покрытий в целом на износостойкость сопряжения. В качестве предмета исследования по известной методике выбрано сопряжение деталей 55-31-318; 55-31-309. В качества оценочного показателя износостойкости была выбрана скорость изнашивания сопряжения в целом. N - количество циклов нагружения до наступления периода интенсивного изнашивания; t - время работ установки, час. В качестве базового варианта для сравнения скорости изнашивания выбраны образцы, изготовленные на Онежском тракторном заводе по заводской технологии. В предлагаемом варианте сопрягаемая деталь типа "вал" - выполнена по заводской технологии, а на деталь типа "втулка" наносилось покрытие из композитного материала при различных технологических режимах. Стендовые испытания проведены согласно методики проведения испытаний пар трения типа "втулка-вал", изготовленных из различных материалов, с целью определения скорости их изнашивания на экспериментальной установке "ДМ-28" (рис. 5.4.), согласно методике разработанной на Онежском тракторном заводе: 1. Испытания пар трения производились на основе паспортизации реальных пар трения в условиях эксплуатации. 2. Для проведения испытаний из элементов пар трения собирались комплекты, состоящие из одного валика и четырех втулок. 3. На каждый комплект составлялся паспорт, в который вносились и исходные и окончательные данные, характеризующие испытуемые пары трения. 4. В местах измерений производилась маркировка черным маркером и серией пропилов на торцах втулки. 5. Сопряженные диаметры измерялись после разборки микрометром и нутромером с точностью до 0,01 мм в двух взаимоперпендикулярных плоскостях и в трех точках, в центре и по краям. 6. Зазор в паре определялся исходя из средних значений замеров сопрягаемых деталей. Для проведения испытаний использован стенд ДМ-28, в котором применялись близкие к реальным условия эксплуатации узла. Так, в данном случае, помимо нагрузки Р=15000 Н, устанавливаемой динамометром ДОСМ-5-1, ТУ25.06.629-74, строго соблюдены следующие условия: характер движения —вращательный, максимальная скорость скольжения в паре трения Vmax=0,095 м/сек при выходной частоте вращения вала п=38 мин 1, передающего крутящий момент на рычажный механизм установки. Применялась одноразовая смазка - «УНИОЛ-1» (ГОСТ 1033-79), а также каждый кронштейн имел по одному каналу для подвода к сопрягаемым деталям кварцевого песка (около 10 г/мин).
Пары трения испытывались, согласно принятой на заводе методике, при нагрузке на динамометре стенда Р=15000Н, что соответствует приблизительно РуД=75 мн/м2 на каждой втулке, причем каждому этапу соответствовала приработке трущихся пар в объеме 1700 циклов в том числе, 1000 циклов при нагрузке Р=2500Н и 700 циклов при нагрузке Р=5000Н.
Во время испытания проводилась фиксация температуры при помощи термопары и ртутного термометра с ценой деления 1С и диапазоном измерений 0-200С, установленного в шеке кронштейна. При проведении испытания через каждые 500 циклов работы стенда производилась остановка стенда для снижения температуры до Т=25...30С но не менее 20 минут с разгрузкой стенда. Критерием преждевременного окончания испытаний является резкое (за период 500 циклов) поднятие температуры до 150С, в то время как на период нормального изнашивания, она выдерживается постоянно и составляет для данного вида испытаний, Т=96... 103С.
