Содержание к диссертации
Введение 7
1 Состояние вопроса и задачи исследования 14
Чугуны и стали, используемые для фрикционных пар сухого трения 14
Анализ работоспособности металлических элементов фрикционных
пар трения (нажимных дисков сцепления тормозных шкивов ПТМ) 24
1.3 Анализ работоспособности пары трения
«тормозная колодка - колесо железнодорожного транспорта» 25
1.4 Краткий обзор исследований по вопросам формирования
структуры металлов при сухом трении 28
1.5 Обоснование целесообразности исследования аустенитных
чугунов с целью использования их для металлических элементов
фрикционных пар трения 31
Выводы. Цель и задачи исследования 39
2 Методика исследования структуры, фазового состава
механических и эксплуатационных свойств экспериментальных материалов 42
2.1 Выбор машины трения, приспособлений и условий проведения
испытаний на износ 43
2.1.1 Приработка образцов 47
2.2 Параметры процесса изнашивания и способы их исследования 49
Определение величины износа и момента трения 49
Определение шероховатости поверхности трения 50
Измерение температуры 50
Измерение твердости и микротвердости структурных составляющих исследуемых материалов 51
Металлографические исследования 52
Методика рентгеноструктурных исследований 53
Методика электронографических исследований 58
2.3 Методика эксплуатационных испытаний 58
2.3.1 Методика эксплуатационных испытаний тормозных шкивов ПТМ 59
Выводы 60
3 Разработка программного комплекса, обеспечивающего получение
заданного набора физико-механических и эксплуатационных
свойств конструкционных чугунов 61
3.1 Аналитическая база данных для оптимизации и прогнозировании
технологии получения конструкционных чугунов 61
Обоснование целесообразности разработки аналитической базы данных для оптимизации и прогнозирования технологии производства чугунов 61
Назначение и функциональные возможности предлагаемого программного комплекса 64
Оптимизация технологического процесса производства конструкционного чугуна 67
Прогнозирование результатов от применения возможного
технологического процесса производства конструкционных чугунов 72
3.1.5 Перспективы применения предлагаемого программного комплекса 76
4 Определение химического состава аустенитного чугуна и
исследование влияния термической обработки на его структуру
и свойства при сухом трении 77
Определение комплекса легирующих компонентов аустенитного чугуна 77
Технология получения аустенитного марганцовистого чугуна 79 4.2.1 Использование программного комплекса при определении
оптимального технологического процесса получения
износостойкого чугуна 79
4.3 Влияние содержания марганца на структуру и свойства
аустенитного чугуна 84
4.4 Влияние термической обработки (закалки) на структуру и свойства
аустенитного марганцовистого чугуна 88
Выводы 93
5 Результаты исследования работоспособности аустенитного
марганцовистого чугуна в условиях сухого трения применительно
к тормозным парам локомотива и подъемно-транспортных машин 95
5.1 Результаты сравнительных металлографических и
электронномикроскопических наблюдений структуры исследуемых чугунов 95
Металлографический анализ шлифов исследуемых чугунов 95
Результаты электронномикроскопических наблюдений 100
5.2 Результаты сравнительных лабораторных испытаний исследуемых
материалов в условиях сухого трения скольжения на машине трения СМЦ-2 103
Влиянріє удельных давлений на износ образцов и коэффициент трения 104
Влияние удельных давлений на температуру пары трения 108
Влияние удельных давлений на микротвердость поверхности
трения экспериментальных аустенитных чугунов 110
5.2.4 Влияние удельных давлений на фазовый состав, микронапряжения
и блочность микроструктуры экспериментальных аустенитных чугунов 112
5.2.5 Влияние скоростей скольжения на износ образцов
и коэффициент трения 116
Влияние скоростей скольжения на температуру колодки 119
Результаты изнашивания различных чугунов и сталей,
применительно к фрикционным парам трения тормозом ПТМ 120
5.3 Статистическая обработка результатов двухфакторного эксперимента 122
5.3.1 Аппроксимация экспериментальных данных 123
Методика построения уравнений регрессии 123
Оценка значимости коэффициентов уравнения регрессии 125
Влияние удельных давлений и скоростей скольжения на износ 126
Влияние удельных давлений и скоростей скольжения
на коэффициент трения 127
5.3.2.3 Влияние удельных давлений и скоростей скольжения на
объемную температуру колодки 128
5.3.2.4 Влияние удельных давлений и скоростей скольжения на
микротвердость рабочей поверхности колодки 129
5.3.2.5 Влияние удельных давлений и скоростей скольжения на
соотношение фаз мартенсита и аустенита, микронапряжения и
блочность кристаллической структуры аустенитного чугуна 130
5.3.3 Определение областей благоприятного сочетания
эксплуатационных и структурных параметров предлагаемого чугуна 133
5.3.3.1 Определение рациональных нагрузочно-скоростных
режимов эксплуатации деталей из экспериментального чугуна 133
5.3.3.2 Определение рациональных параметров структуры
экспериментального марганцовистого чугуна 136
5.3.4 Анализ неявных зависимостей 137
Методика получения неявных зависимостей 137
Связь износа с микротвердостью и температурой І(Н^ Т) 138
Неявные зависимости ДЯ,15 к, Т) и Н^(Д, Е, Ja/ Jy) 138 5.4 Результаты сравнительных эксплуатационных испытаний и технико-экономическое обоснование применения аустенитного
марганцовистого чугуна для тормозных шкивов ПТМ 139
5.4.1 Результаты эксплуатационных испытаний экспериментальных
чугунов применительно к тормозам ПТМ 140
5.4.2 Результаты эксплуатационных испытаний экспериментальных
чугунов применительно к тормозам локомотива 141
5.4.3 Оценка экономической эффективности от внедрения
аустенитного марганцовистого чугуна 143
5.4.4 Расчет экономического эффекта от применения аустенитного
марганцовистого чугуна для тормозных колодок
железнодорожного транспорта 149
Выводы 151
Основные результаты работы 153
Список использованных источников 155
Приложение А Копия свидетельства об официальной регистрации
программы для ЭВМ № 2007613454 165
Приложение Б Копия свидетельства об официальной регистрации програ
ммы для ЭВМ № 2008610110 166
Приложение В Копия акта о внедрении научно-исследовательской работы
в практическую деятельность 167
Приложение Г Копия акта о проведении выплавки аустенитного чугуна 168
Приложение Д Копия патента на изобретение РФ №2337175 169
Приложение Е Копия патента на изобретенгие РФ №2313609 171
Приложение Ж Результаты лабораторных испытаний 173
Приложение 3 Копия акта о результатах эксплуатационных испытаний
и внедрения НИР в практическую деятельность 175
Приложение И Копия акта внедрения в учебный процесс результатов
НИР на кафедре производства, ремонта и эксплуатации машин в
Воронежской государственной лесотехнической академии
аспиранта Попова Д.А 177
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из возможных путей повышения эффективности работы машин и снижения эксплуатационных затрат является увеличение ресурса быстроизнашивающихся деталей пар трения. К числу таких узлов можно отнести фрикционные пары автомобильного и железнодорожного транспорта, подъёмно-транспортных машин (ПТМ) и механизмов, обеспечивающие передачу тормозного или крутящего момента.
В частности, для изготовления металлических тормозных колодок локомотивов используется серый фосфористый чугун по ГОСТ 30249-97. По сведениям ДЭПО юго-восточной железной дороги известно, что колодки из фосфористого чугуна характеризуются невысоким ресурсом. К примеру, отмечено, что на двойном плече Москва-Минск колодки изнашиваются до предельного размера и подвергаются замене, при этом в результате износа истирается 160 кг серого чугуна, применительно к одному вагону (пассажирский состав). Учитывая масштабы отрасли, можно утверждать, что убытки, вызванные малым ресурсом колодок, и простоями по их замене приводят к существенному повышению эксплуатационных расходов. Кроме того, колодки из фосфористого чугуна вызывают повышенный износ и повреждение сопряженного с ними колеса, что, по мнению ряда исследователей, обусловлено воздействием фосфидной эвтектики и цементита, которые по мере истирания перлита оказываются в зоне фрикционного контакта.
Подобная ситуация наблюдается при эксплуатации тормозных пар (ПТМ), где металлический тормозной шкив транспортной тележки взаимодействует с фрикционной накладкой. По данным лесозаготовительных предприятий было установлено, что при интенсивной сезонной эксплуатации козловых кранов замена шкивов производиться через 50...70 рабочих смен. Низкий ресурс шкивов вызывает необходимость их ремонта или замены, что приводит к увеличению эксплуатационных расходов. Для изготовления шкивов используют стали 35Л, 40Х, 55Л, ЗОХНЛМ по ГОСТ 977-88, с твердостью рабочей поверхности 35...45HRC; реже - чугуны не ниже марки СЧ 28-48 по ГОСТ 1412-85.
Как показывает практика, существует объективная необходимость совершенствования состава и свойств конструкционных материалов, в особенности тех, у которых структура является основным фактором, обеспечивающим эффективность и долговечность работы сопряженных деталей, в частности металлических деталей фрикционных пар сухого трения.
Вопросами исследования структуры и свойств чугунов и сталей при различных условиях трения посвящено множество научных работ. В некоторых трудах отмечалось, что сплавы аустенитного класса обладают ценными качествами в условиях ударного, абразивного и других видов изнашивания, в частности, способностью самоупрочняться в процессе работы от действия внешних нагрузок. Это подтверждено практическим применением аустенитиых сталей для рабочих органов горнообогательного оборудования, крестовин железнодорожных рельс, траков гусеничных тракторов и.т.п.
В результате литературного обзора, анализа экспертных оценок, изучения режимов и условий эксплуатации фрикционных пар сухого трения было установлено, что целесообразным является исследование свойств аустенитного чугуна применительно к тормозным парам железнодорожного транспорта и ПТМ.
Немаловажным является вопрос выбора технологии получения чугуна необходимого качества на производственной базе литейного предприятия. Известно, что физико-механические свойства сплава определяют входные факторов, из которых основными являются: шихтовый материал, плавильный агрегат, способ модифицирования жидкого металла, способ разливки в литейные формы и последующего упрочнения заготовок. Эти условия формируют выходные параметры материала в том числе, механические и эксплуатационные характеристики.
В этой связи, необходимо изучить и разработать практические рекомендации по организации производства чугунов с заданными физико-механическими свойствами на имеющемся технологическом оборудовании конкретного предприятия.
Настоящая работа посвящена созданию износостойкого аустенитного чугуна и исследованию его работоспособности в литом и термообработанном (закаленном) состояниях в условиях сухого трения для повышения ресурса тормозных колодок железнодорожного транспорта и тормозных шкивов ПТМ машин.
Диссертационная работа выполнена в рамках НИР Воронежской государственной лесотехнической академии (ВГЛТА) по научному направлению кафедры производства, ремонта и эксплуатации машин «Совершенствование материалов, технологий производства, ремонта и эксплуатации машин (2006 ... 2010 гг.)».
Цель работы — повышение ресурса тормозных шкивом подъёмно-транспортных машин и тормозных колодок железнодорожного транспорта путем создания износостойкого чугуна и исследование его работоспособности в условиях сухого трения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ существующих материалов, традиционно применяемых для металлических деталей фрикционных пар сухого трения, а также технологических методов и приемов, способствующих повышению износостойкости тормозных шкивов ПТМ и тормозных колодок железнодорожного транспорта, оценить их преимущества и недостатки;
разработать программный комплекс, позволяющий оптимизировать набор технологических методов и приемов, обеспечивающих получение заданного уровня механических и эксплуатационных свойств конструкционного чугуна, учитывая производственные возможности (сырьё, оснащение) предприятия, а также стоимость технологии;
разработать химический состав и технологию получения аустенитного чугуна, исследовать влияние термической обработки на состояние его структуры и свойства при сухом трении;
провести испытания на износ при сухом трении аустенитного чугуна в литом и термообработанном состоянии в сравнении с фосфористым чугуном и СЧ 28-48, сталью 40Х применяемыми, соответственно, для тормозных колодок
железнодорожного транспорта и тормозных шкивов подъемно-транспортных машин;
- осуществить металлографические, рентгеноструктурные и
электронномикроскопические исследования аустенитного чугуна в целях
объяснения механизма его упрочнения и изнашивания при сухом трении;
- определить математические зависимости, устанавливающие связь между
эксплуатационными, структурными параметрами марганцовистого чугуна и
нагрузочно-скоростными факторами.
Объект и методы исследования.
Объектом исследований является аустенптный чугун предложенного химического и структурного состава, работающий в условиях сухого трения, применительно к тормозным шкивам подъемно-транспортных машин и тормозным колодкам локомотива. Для достижения поставленной цели использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. При изучении структуры материалов применяли металлографический, рентгеноструктурный и электронномикроскопический способы. Теоретические исследования выполнены с использованием методов математического планирования эксперимента. Экспериментальная проверка основных теоретических положений проводилась на модельных образцах с применением лабораторных машин, а также на натурных образцах в условиях эксплуатации. Обработка результатов осуществлялась методами математической статистики при компьютерной поддержке.
Научные положения, выносимые на защиту:
результаты исследования влияния марганца на структуру и свойства аустенитного чугуна при сухом трении;
результаты исследования влияния термической обработки на структуру и свойства аустенитного марганцовистого чугуна при сухом трении;
программный комплекс, обеспечивающий совершенствование подхода при выборе технологии получения требуемых свойств конструкционного чугуна с учетом имеющегося на предприятии сырья и оборудования;
- результаты исследования работоспособности аустенитного марганцовистого
чугуна в литом и закаленном состоянии в условиях сухого трения применительно к
фрикционным парам тормозов подъёмно-транспортных машин и железнодорожного
транспорта;
- аналитические зависимости, устанавливающие связь между структурными
параметрами аустенитного чугуна и нагрузочно-скоростными режимами его эксплуатации, а также неявные зависимости, определяющие взаимосвязь
параметров между собой;
— результаты эксплуатационных испытаний и технико-экономическое
обоснование целесообразности применения в качестве материала для' тормозных шкивов ПТМ и тормозных колодок железнодорожного траспорта износостойкого аустенитного марганцовистого чугуна.
Научная новизна. J
1 Разработан износостойкий аустенитный чугун нового химического состава,
позволяющий существенно повысить ресурс тормозных шкивов подъемно-
транспортных машин и тормозных колодок железнодорожного транспорта.
Экспериментально изучено влияние закалки с различным временем выдержки при закалочной температуре на структуру и свойства аустенитного марганцовистого чугуна. Установлено, что закалка способствует аустенизации марганцовистого чугуна, измельчению его структурных составляющих и их более равномерному распределению в основе, при этом износостойкость чугун(при сухом трении возрастает. |„,
Экспериментально установлено, что аустенитный чугун предложенного химического состава превосходит по износостойкости фосфористый 'перлитный чугун и сталь 40Х в 2,5 и 1,8 раза, соответственно. Износостойкость аустенитного чугуна, полученного закалкой, была несколько меньше литого состояния, но при этом он в 1,8 ... 2 раза меньше, чем фосфористый перлитный чугун і изнашивал сопряженную с ним поверхность контртела.
4 Предложена математическая модель, устанавливающая связь между нагрузочно-скоростными режимами, параметрами структуры аустенитного чугуна и
! /
I'
его эксплуатационными свойствами при работе в условиях сухого трения.
!'. Разработан алгоритм обработки базы данных, позволяющий выбрать наиболее
рациональный набор технологических приемов, обеспечивающих получение
заданного уровня эксплуатационных свойств чугуна. ,
Практическая ценность состоит в разработке износостойкого чугуна, применение которого позволяет существенно повысить ресурс тормозных шкивов ПТМ и колодок железнодорожного транспорта. По итогам сравнительных эксплуатационных испытаний тормозных шкивов, аустенитный марганцовистый чугун был принят к использованию на ОАО «Воронежавтодор» г.' Воронеж. Разработанный программный комплекс по результатам успешной апробации был внедрен в технологический процессе литейного предприятия ООО ПКФ «Флатер» г. Воронеж.
Результаты исследований были адаптированы и внедрены в учебный процесс ВГЛТА для студентов специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство», а также могут быть рекомендованы научным работникам, технологам и аспирантам, занимающимся совершенствованием свойств конструкционных материалов.
Достоверность научных положений обеспечена корректной постановкой задач исследования, обоснованным объёмом экспериментального материала, позитивными результатами лабораторных и эксплуатационных испытаний. Достоверность результатов работы подтверждается отсутствием противоречий с данными других исследователей.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2005 - 2008 гг.), II международной научно-практической конференции ' «Студент, специалист, профессионал ССП - 07» (Москва, 2007), Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2007); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2007).
Личное участие автора состоит в проведении экспериментов по' изучению влияния марганца на структуру и свойства аустенитного чугуна; исследовании
влияния термической обработки на фазовый состав и определении оптимальных
і режимов закалки, позволяющих получить заданные свойства аустенитного чугуна;
разработке алгоритма программы, обеспечивающей совершенствование подхода при
выборе технологических методов и приемов, способствующих получению заданных
свойств чугуна; получении экспериментальных зависимостей; проведении
эксплуатационных испытаний; формулировки выводов.
Публикации.
Основное содержание диссертации изложено в 12 печатных работах, в том числе в 8 статьях, 2 из которых - в издании, рекомендованном ВАК России, двух патентах на изобретение, двух свидетельствах о регистрации программы.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по работе, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 177 страниц, из них 159 страниц основного текста и 18 страниц приложений. Работа включает 46 иллюстраций, 14 таблиц и 130 наименований использованных источников.
