Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса и задачи исследования 12
1 Классификация аксиально-поршневых гидромашин. Применяемость в АПК 12
2 Анализ работоспособности регулируемых аксиально-поршневых гидромашин и причин их отказов 25
3 Способы и средства оценки работоспособности регулируемых аксиально-поршневых гидромашин 35
4 Технологии повышения долговечности регулируемых аксиально-поршневых гидромашин 44
5 Моделирование нагрузок методом конечных элементов 55
6 Цель и задачи исследования 59
Теоретические предпосылки к повышению межремонтного ресурса регулируемых аксиально-поршневых гидромашин
1 Теоретический анализ факторов, определяющих работоспособность регулируемых аксиально-поршневых гидромашин 61
2 Математическое моделирование связи объемного коэффициента полезного действия (КПД) регулируемых аксиально-поршневых насосов с факторами, влияющими на утечку рабочей жидкости 67
3 Влияние эксплуатационных нагрузок на контактные напряжения в ресурсолимитирующих соединениях регулируемых аксиально-поршневых насосов 72
4 Предельные и допустимые износы деталей и зазоры в ресурсолимитирующих соединениях регулируемых аксиально-поршневых насосов 79
Методики и структура исследований 86
3.1 Программа исследований
3.2 Методика входного стендового контроля новых и бывших в эксплуатации регулируемых аксиально-поршневых насосов 88
3.3 Методика микрометражных исследований и повторяемости дефектов регулируемых аксиально-поршневых насосов 93
3.4 Методика моделирования контактных напряжений в ресурсоли-митирующих соединениях регулируемых аксиально-поршневых насосов 102
3.5 Методика многофакторного планирования эксперимента 106
3.6 Методика выбора технологических режимов способа восстановления и упрочнения рабочих поверхностей деталей 1 3.6.1 Методика моделирования связи микротвердости упрочненной поверхности с параметрами электроискровой обработки в ручном режиме 112
3.6.2 Методика моделирования связи толщины покрытия с параметрами электроискровой обработки в механизированном режиме 115
3.7 Методики исследования физико-механических свойств восста новленных и упрочненных рабочих поверхностей деталей 118
3.7.1 Методика металлографических исследований 118
3.7.2 Методика триботехнических исследований 122
3.8 Методика проведения стендовых и эксплуатационных испытаний отремонтированных регулируемых аксиально-поршневых гидромашин 127
4 Результаты экспериментальных исследований 130
4.1 Результаты оценки технического состояния регулируемых аксиально-поршневых насосов 130
4.2 Результаты дефектации и микрометражных исследований регулируемых аксиально-поршневых насосов серии
4.3 Статистическое моделирования процесса потери работоспособности регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3. 147
4.4 Результаты моделирования контактных напряжений в ресурсо-лимитирующих соединениях регулируемых аксиально-поршневых насосов 152
4.5 Оценка степени технологического воздействия на рабочие поверхности деталей ресурсолимитирующих соединениях регулируемых аксиально-поршневых насосов
4.5.1 Результаты моделирования связи микротвердости упрочненной поверхности с параметрами ЭИО. Рациональные технологические режимы электроискрового упрочнения 162
4.5.2 Результаты моделирования связи толщины покрытия с параметрами ЭИО. Рациональные технологические режимы электроискровой наплавки в механизированном режиме 170
4.6 Результаты исследования физико-механических свойств восстановленных и упрочненных рабочих поверхностей деталей ресурсолимитирующих соединений 177
4.6.1 Результаты металлографичеких исследований 177
4.6.2 Результаты триботехнических исследований 184
4.7 Результаты стендовых и эксплуатационных испытаний отремон тированных регулируемых аксиально-поршневых насосов 190
5 Разработка технологии ремонта регулируе мых аксиально-поршневых гидромашин и оценка ее экономической эффективности 193
5.1 Разработка технологии ремонта регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3. 193
5.2 Расчёт экономической эффективности разработанной технологии ремонта регулируемых аксиально-поршневых насосов 200
Общие выводы 207
Библиографический список
- Способы и средства оценки работоспособности регулируемых аксиально-поршневых гидромашин
- Математическое моделирование связи объемного коэффициента полезного действия (КПД) регулируемых аксиально-поршневых насосов с факторами, влияющими на утечку рабочей жидкости
- Методика микрометражных исследований и повторяемости дефектов регулируемых аксиально-поршневых насосов
- Результаты дефектации и микрометражных исследований регулируемых аксиально-поршневых насосов серии
Введение к работе
Актуальность темы. В гидравлических системах современных отечественных и зарубежных сельскохозяйственных и дорожно-строительных машин для передачи крутящего момента от двигателя внутреннего сгорания к исполнительным механизмам применяются объемные гидроприводы, составной частью которых являются регулируемые аксиально-поршневые гидромашины, например, серии 313.3.
Анализ работоспособности и долговечности регулируемых аксиально-поршневых гидромашин показал, что доля их отказов в доремонтный период эксплуатации составляет около 20 % от общего числа отказов машин.
По ТУ 22-1.020-100 ОАО «Пневмостроймашина» наработка регулируемых аксиально-поршневых гидромашин до отказа составляет 1 000 часов работы при номинальных режимах, а 90 % ресурс агрегата должен соответствовать одному из условий: 3 500 часов при номинальном режиме работы или 6 000 часов при рабочем давлении 16 МПа, а для регуляторов - 3,3105 циклов регулирования рабочего объема.
По данным научно-технической литературы, средний межремонтный ресурс отремонтированных регулируемых аксиально-поршневых гидромашин серии 313.3 в условиях реальной эксплуатации не превышает 60 % от ресурса нового изделия. В связи с этим разработка путей повышения межремонтной долговечности регулируемых аксиально-поршневых гидромашин и новых технологий для их реализации является актуальной задачей.
Цель исследования – разработка технологии ремонта регулируемых аксиально-поршневых гидромашин, обеспечивающей техническое состояние и межремонтный ресурс агрегата на уровне нового.
Объект исследования – механизм потери работоспособности регулируемых аксиально-поршневых гидромашин, процессы и технологии, определяющие их долговечность.
Предмет исследования – новые, бывшие в эксплуатации и отремонтированные регулируемые аксиально-поршневые насосы серии 313.3.
На защиту выносятся:
– закономерности износа рабочих поверхностей деталей ресурсолимитирующих соединений регулируемых аксиально-поршневых насосов;
– математическая модель связи объемного коэффициента полезного действия (КПД) регулируемого аксиально-поршневого насоса с факторами, влияющими на утечку рабочей жидкости;
– результаты анализа причин ресурсных отказов регулируемых аксиально-поршневых насосов и установленные предельные и допустимые значения износов деталей и зазоров в соединениях;
– значения контактных напряжений в ресурсолимитирующих соединениях регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3;
– математические модели связи микротвердости и толщины покрытия с энергетическими и кинематическими параметрами электроискровой обработки;
– результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств покрытий, полученных электроискровой обработкой (ЭИО);
– технологический процесс ремонта регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3.112, обеспечивающий техническое состояние и межремонтный ресурс агрегата на уровне нового.
Научная новизна:
– установлены причины ресурсных отказов регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3;
– выявлены закономерности распределения износов рабочих поверхностей деталей и зазоров в соединениях регулируемых аксиально-поршневых насосов;
– получена математическая модель связи объемного КПД с износами деталей и зазорами в соединениях регулируемого аксиально-поршневого насоса серии 313.3;
– многофакторным экстремальным экспериментом установлены предельные и допустимые значения износов деталей и зазоров в ресурсолимитирующих соединениях «блок цилиндров – распределитель», «блок цилиндров – поршень», «поршень регулятора – крышка»;
– математическим моделированием установлены значения контактных напряжений в ресурсолимитирующих соединениях регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3 в условиях, имитирующих реальную эксплуатацию;
– определены физико-механические свойства восстановленных и упрочненных методом ЭИО рабочих поверхностей деталей ресурсолимитирующих соединений;
– разработан технологический процесс ремонта регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3.112, обеспечивающий техническое состояние и межремонтный ресурс агрегата на уровне нового.
Программа исследований имела следующую последовательность: получение экспериментального факта; разработка математической модели падения объемного КПД регулируемого аксиально-поршневого насоса методами однофакторного и многофакторного экспериментов; восстановление и упрочнение рабочих поверхностей деталей методом ЭИО; моделирование контактных нагрузок в ресурсолимитирующих соединениях агрегата; оптимизация технологических режимов электроискрового упрочнения и наплавки; исследование физико-механических и микрогеометрических свойств электроискровых покрытий. Достоверность полученных результатов оценивали стендовыми и эксплуатационными испытаниями. Обработка результатов исследований проведена с использованием методов математической статистики, с помощью современных вычислительных средств и пакета прикладных программ «NI LabVIEW 7.1», «LabVIEW IMAQ Vision», «ANSYS», «Statistica 8.0» и «Excel 2010».
Практическая значимость исследований заключается в разработке и внедрении в производство технологического процесса ремонта регулируемых аксиально-поршневых насосов, обеспечивающего техническое состояние и межремонтный ресурс агрегата на уровне нового.
Экономический эффект при программе ремонта 100 регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3.112 в год по разработанной технологии составляет 1 901 430 рублей.
Реализация результатов исследования. Разработанный новый технологический процесс ремонта регулируемых аксиально-поршневых насосов внедрен в малом инновационном предприятии ООО «Агросервис» Института механики и энергетики ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарёва», (г. Саранск, 2011 г.) и на ОАО «Грачёвский завод Гидроагрегат» Ставропольского края (2012 г.).
Апробация. Основные положения и результаты работы были доложены на международных научно-технических конференциях «Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК» (г. Саранск, ИМЭ, 2011 г.) и «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы» (г. Саранск, ИМЭ, 2012 г.), на Российской конференции «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы» (г. Саранск, ИМЭ, 2010 г.), на Огарёвских чтениях Мордовского государственного университета (г. Саранск, 2010–2011 гг.) и на расширенном заседании кафедры технического сервиса машин ФГБОУ ВПО «МГУ им Н. П. Огарёва».
Технология ремонта регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3 в составе других электроискровых технологий удостоена наград международного Салона «Архимед» (г. Москва, ВВЦ, 2009 г.), Российской агропромышленной выставки «Золотая Осень» (г. Москва, 2009–2011 гг.), Международной агротехнической выставки «Агросалон» (г. Москва, МВЦ «Крокус Экспо», 2009 г.), отмечена Программой «100 лучших товаров России» и «100 лучших товаров Мордовии».
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 12 работах, в том числе в 3 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, 7 статей в материалах международных конференций, 1 статья в материалах Российской конференции. Получен 1 патент РФ на полезную модель № 74257.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих вводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 242 страницах машинописного текста, включает 73 рисунка и 36 таблиц, список литературы содержит 98 наименований.
Способы и средства оценки работоспособности регулируемых аксиально-поршневых гидромашин
Роторно-поршневой гидроагрегат, в котором ось вращения ротора параллельна осям поршней или составляет с ними угол не более 45, принято называть аксиально-поршневой гидромашиной.
По числу разновидностей конструктивного исполнения аксиально-поршневые гидромашины во много раз превосходят прочие типы гидромашин.
По принципу действия аксиально-поршневые гидромашины относятся к типу обратимых, то есть они могут использоваться как насосы и как гидромоторы, в зависимости от того создают они поток жидкости или используют его.
Гидромашины, при работе в режиме насоса, преобразуют механическую энергию вращения приводного вала в гидравлическую энергию потока рабочей жидкости, при этом подача пропорциональна скорости вращения и рабочему объему.
При работе в режиме гидромотора гидромашины преобразуют гидравлическую энергию потока рабочей жидкости в механическую энергию вращения выходного вала, при этом частота вращения прямо-пропорциональна расходу и обратно-пропорциональна рабочему объему, крутящий момент на валу пропорционален перепаду давлений между входным и выходным отверстиями и рабочему объему.
По данным В.Н. Прокофьева [1] аксиально-поршневые гидромашины обладают комплексом положительных качеств, которые обуславливают рост их применения в приводах различных машин. К основным показателям их можно отнести: - высокое рабочее давление (35.. .45 МПа); - быстроходность (до 6000 мин"); - компактность, малые габариты и массу. Металлоемкость регулируемых насосов, применяемых в мобильных машинах, не превышает 0,5...0,6 кг/кВт; - высокое значение общего (до 0,94) и объемного (0,97...0,98) КПД; - высокие гидравлическую жесткость и герметичность; - широкий диапазон регулирования частоты вращения вала гидромотора-до 1:100 при переменных и 1:1000 при постоянных нагрузках; - возможность работы при низкой частоте вращения (до 1 мин"1); - долговечность (до 12000 ч); - быстродействие (изменение подачи от нулевой до максимальной и наоборот, за 0,04...0,08 с); - высокие моторные характеристики - момент страгивания более 0,9 Мщахэ - низкий уровень шума (70.. .90 дБ); - возможность промышленного изготовления с применением совре менного высокоточного и высокопроизводительного оборудования; - низкие эксплуатационные затраты и быструю окупаемость.
Наиболее распространенное число поршней в аксиально-поршневых гидромашинах равно 7-9, диаметры цилиндров гидромашин (насосов, гидромоторов) обычно находится в пределах от 10 до 50 мм, а рабочие объемы - в пределах от 5 до 1000 см3. Максимальный угол наклона качающего узла или наклонного диска в насосах и гидромоторах обычно находится в пределах 30-45. Анализ литературных источников [2-5] позволяет классифицировать аксиально-поршневые гидромашины следующим образом: - По типу силового кардана подразделяются на гидромашины с асин хронным силовым карданом; с двойным несиловым карданом; бескарданные. В зависимости от расположения вала ротора аксиально-поршневые гидромашины выполняются либо с наклонным блоком цилиндров, либо с на клонным диском. - По форме распределителя подразделяются на гидромашины со сфе рическим или плоским торцовым распределителем. - По типу связей поршней подразделяются на шатунные и бесшатунные с опорными башмаками на поршнях или бесшатунные с точечным касанием поршней по наклонной шайбе. - По рабочему объему на регулируемые и нерегулируемые. - По направлению вращения выходного вала на реверсивные и нереверсивные. По данным Б.А Васильева и Н.А Грецова [5] к преимуществам гидромашин с наклонным блоком цилиндров и шатунной связью поршней (насосы и гидромоторы типа 210, 310, 303, 313), то есть гидромашин основная часть которых серийно выпускается для нужд сельскохозяйственного машиностроения относятся: - небольшие радиальные нагрузки на поршень благодаря шатунной связи поршня с валом; - малый периметр утечек, определяемый распределительным узлом и поршневой парой; - большой угол наклона блока (до 45) и, следовательно, высокие моторные характеристики; К недостаткам вышеперечисленных гидромашин: - наличие значительной осевой нагрузки на подшипниковый узел, что лимитирует срок службы гидромашины и затрудняет создание гидромашин с большим рабочим объемом; - ограниченная возможность форсирования гидромашин по давлению из-за больших контактных давлений в сферической паре поршень - шатун и низкой несущей способностью материалов деталей качающего узла гидромашины при нештатных режимах эксплуатации; - усложненная компоновка дополнительного насоса управления; - повышенная конструктивная и технологическая сложность, особенно регулируемых гидромашин, вследствие использования регуляторов рабочего объема, давления, мощности. Аксиально-поршневые гидромашины с наклонным диском [3-4, 31] характеризуются следующими преимуществами: - возможностью работы при более высоких давлениях (до 45 МПа), за счет применения гидростатической разгрузки опор поршней, - низким уровнем шума; - малыми габаритами; - простотой конструкции и ее технологичностью; - низкой стоимостью; К недостаткам можно отнести менее высокий (на 2...3% ниже) КПД, чем у гидромашин с наклонным блоком. Аксиально-поршневые гидромашины имея рабочие органы с малыми радиальными габаритными размерами и поэтому с малым моментом инерции способны быстро изменять частоту вращения и реверс. Эти специальные свойства обусловили их широкое применение в качестве регулируемых и нерегулируемых насосов и гидромоторов для гидропередач, обслуживающих подвижные комплексы (сельскохозяйственные, дорожные, строительные, транспортные машины) и гидроприводы большой точности.
В настоящее время отечественные регулируемые аксиально-поршневые гидромашины: насосы серии 313.3.112 (аналог A7V107 Bosch-Rexroth (Германия), HIVI08 Samhydraulik (Италия) и гидромоторы серии 303.3.112 (аналог A6V107 Bosch Rexroth (Германия), H2V108 Samhydraulik (Италия), VI4-110 Parker (США), 51D110 Sauer (Германия) используются на современной отечественной и зарубежной сельскохозяйственной техники: косилки плющилки, гидроопрокидыватели, мелиоративные машины, погрузчики, экскаваторы и тракторы манипуляторы Беларус-ШО/ЮМ, ЭО-3123, 3323А, 33211, 4225, 43211, 5126, 5225, строительно-дорожной (автогрейдеры, автокраны, асфальтоукладчики) и коммунальной техники (автолесницы, автоподъемники, автоцистерны пожарные, снегоочистители, уборочные и по ливочные машины и др.) ТО-40, ВП-05, ТО-18Б, Амкадор 2200 [6,7, 9-12].
Гидромашины имеют регулируемый рабочий объем 0-112 см и предназначены для работы при номинальном давлении 20...40 МПа и температуре рабочей жидкости от - 40 до +75 С, с классом чистоты по ГОСТ 17216-2001, тонкостью фильтрации жидкости 25 мкм, кинематической вязкость 20-35 мм2/с (сСт) [6-9].
В России регулируемые аксиально-поршневые гидромашины выпускают ОАО «Пневмостроймашина», ОАО «Шахтинский завод «Гидропривод», ОАО «Гидромаш».
Аксиально-поршневые гидромашины ОАО «Шахтинский завод «Гидропривод» МГП, МГЭ 112/32 - аналоги гидромашинам ОАО «Пневмостроймашина» 303.3.112, 313.3.112, а насосы и гидромоторы 1НАС, РНА с меньшим объемом имеют иную конструкцию, в частности клапанно-распределительный узел данных гидромашин вынесен за пределы задней крышки и соединен с корпусом, так же машины имеют конструкцию с наклонным диском. Имеются отличия в марке материалов для изготовления деталей, вместо алюминиевых сплавов при изготовлении корпусов используется чугун.
Математическое моделирование связи объемного коэффициента полезного действия (КПД) регулируемых аксиально-поршневых насосов с факторами, влияющими на утечку рабочей жидкости
Теоретический анализ факторов, определяющих работоспособность регулируемых аксиально-поршневых гидромашин, показал, что при прочих равных условиях, наибольшее влияние на объемный КПД агрегата оказывают величины зазоров в соединениях качающего узла и регулятора.
В научно-технической литературе [32-43] существуют различные мнения о степени влияния этих факторов на объемный КПД аксиально-поршневых гидромашин. Одни авторы [57] считают, что наибольшее влияние оказывают поршневые пары, другие [46] считают, что предельное состояние насоса определяется износами сферических торцовых поверхностей блока цилиндров и распределителей [13]. Мнения исследователей о влияние элементов управления углом наклона качающего узла (регулятора) противоречивы и недостаточно изучены. Влияние регулятора имеет более сложную регрессионную зависимость. Это связало со сложностью процессов, происходящих в процессе управления и регулирования.
По нашему мнению, наиболее достоверным способом определения влияния различных факторов на работоспособность агрегата является полнофакторный эксперимент, который позволит оценить коэффициенты значимости факторов, определяющих параметр оптимизации - КПД.
Математическое описание объемного КПД насоса в окрестностях точки, отвечающей основным значениям факторов, получается варьированием каждого из факторов на двух уровнях, отличающихся от основного (нулевого) уровня на величину шага варьирования. Исходными математическими моделями, качественно описывающими влияние зазоров в соединениях на объемную утечку рабочей жидкости и объемный КПД, могут служить выражения 2.4 и 2.10. Тогда, уравнение регрессии, например, для трехфакторного эксперимента будет иметь вид: з ЇЇт = M{??VH} К + V/ +Y,biJzizj + + bmz\z2zi + є, /=і ij где rjVH - объемный КПД насоса (параметр оптимизации); z, - зазоры в сопряжениях (факторы), которые варьируются при постановке эксперимента; bo, b;, by и т.д. оценки коэффициентов значимости; є - погрешность оценки.
Предварительное определение предельных и допустимых значений зазоров в соединениях регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3, оказывающих влияние на работоспособность агрегата осуществлялось путём проведения однофакторного эксперимента. Методика эксперимента представлена в п. 3.2, результаты п. 4.3.
Однофакторный эксперимент показал, что влияние зазоров в соединениях шатун-вал, распределитель - крышка, поршень регулятора - палец, палец - золотник менее 5 %, следовательно, они не оказывают существенное влияние на объемный КПД агрегата. Поэтому эти факторы из дальнейших исследований исключены.
Наибольшее влияние на объемный КПД оказывают соединения «блок цилиндров - поршень», «блок цилиндров - распределитель», «поршень регулятора - крышка». Эти соединения приняты за факторы полного факторного эксперимента по плану 23.
Многофакторный эксперимент для регулируемого аксиально-поршневого насоса проведен с интервалами факторов представленных, в таблице 2.1, нижний уровень которых соответствует средним величинам технологических параметров. Верхний уровень определяли по результатам микро-метражных исследований и предварительного однофакторного эксперимента.
В качестве фактора соединения «блок цилиндров - распределитель» принято максимальная площадь износа в одном из сечений сферической поверхности. Значение площади износа в сечении, при котором объемный КПД агрегата не менее 0,95 принимали за нижний уровень варьирования фактора. Методика многофакторного эксперимента представлена в п. 3.4. Задачи многофакторного эксперимента заключались в следующем: - установить зависимость объемного КПД насоса серии 313.3.112 при номинальном давлении в линии нагнетания Р = 20 МПа от зазоров в ресурсо-лимитирующих соединениях «блок цилиндров - распределитель», «блок цилиндров - поршень», «поршень регулятора - крышка»; - установить предельные и допустимые износы деталей и зазоры в ре-сурсолимитирующих соединениях. где X] - площадь износа в соединении «блок цилиндров - распределитель», Х2 — зазор в соединении «блок цилиндров - поршень», Хз - зазор в соединении «поршень регулятора - крышка». Проверку однородности дисперсии проводили по критерию Кохрена. Табличное значение критерия GKp = 0,5157, при уровне значимости q = 5 %, степенях свободы Vib = 2 и Vjb = 8. Расчетное значение критерия Кохрена составило G = 0,51048 (по формуле 3.13). Расчетное значение критерия оказалось меньше табличного (G = 0,51048 GKp = 0,5157), следовательно, гипотеза об однородности дисперсий принималась.
Значимость расчетных коэффициентов регрессии проводили по t - критерию Стьюдента. При этом задавались уровнем значимости q = 5 % и степенью свободы V3H = 16. t - критерий для каждого расчетного коэффициента регрессия определяли по формуле 3.14. Факторы, у которых расчетное значения t - критерия оказалось меньше критического tKp -признавались не значимыми. Abi = tKpS{bi}, Abj= 1,715 х 0,03835 = 0,0658. Результаты расчетов представлены в таблице 2.2. Таблица 2.2 - Результаты расчета коэффициентов регрессии и критерия Стьюдента
Методика микрометражных исследований и повторяемости дефектов регулируемых аксиально-поршневых насосов
Металлографические испытания проводились в соответствии с требованиями РД 10.003-2009 [95]. Для распределения микротвердости по глубине упрочненных слоев и наплавленных покрытий были подготовлены образцы в виде параллелепипеда с размерами 20x30x10 мм из латуни ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1 и виде цилиндра диаметром 20 мм из стали 38Х2МЮА. 118 1) Образцы из латуни ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1. 2) Упрочненные образцы - латунь ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1 + латунь ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1 обработанные электроискровой обработкой в ручном режиме на различных энергетических режимах. 3) Упрочненные образцы - латунь ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1 + латунь ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1 обработанные электроискровой обработкой в ручном режиме при различных частотах подачи импульсов. 4) Упрочненные образцы - латунь ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1 + латунь ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1 обработанные электроискровой обработкой в ручном режиме при различном времени обработки. Упрочнение образцов осуществляли в ручном режиме на установке «Алиер-31». Основные параметры электроискрового процесса установки представлены в п.3.6. 5) Образцы из стали 38Х2МЮА. 6) Образцы с покрытиями - сталь 38Х2МЮА + сталь 65Г, нанесенная методом электроискровой обработки в механизированном режиме. Режимы обработки электродом из стали 65Г образцов из стали 38Х2МЮА представлены в таблице 3.9. Таблица 3.9 - Режимы обработки образцов из стали 38Х2МЮА Установка Энергетический режим Частотаподачиимпульсов.Гц Скоростьвращенияобразца,об/мин Скорость перемещения электрода, мм/мин Количество проходов Алиер-31 6(4,25Дж) 400 4,0 0,25 1 Каждая исследуемая партия состояла из трех образцов.
Из образцов вырезались сегменты для получения поперечного шлифа при помощи отрезного станка Discotom-б (рис. 3.9а) с использованием абразивного круга 50А24 и применением смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Применение специальной СОЖ позволяет производить резку образцов без нагрева, а значит, и без изменения структуры поверхностей среза.
Отрезанные сегменты подвергались горячей запрессовке в смолу с использованием цилиндрического пресса CitoPress-І (рис. 3.96), в который помещается сегмент вместе со смолой MultiFast для запрессовки. Охлаждаются полученные образцы водой, что обеспечивает минимальное время запрессовки. Получение образца происходит в цилиндре диаметром 40 мм. Нагрев осуществляется при температуре 180 С и прилагаемом усилии 18 кН в течение 4,5 мин. Последующее охлаждение происходит с высокой скоростью в течение 3 мин.
Поверхности изготовленных образцов подвергаются механической обработке на автоматическом вращателе образцов TegraForce-5, установленном на шлифовально-полировальном станке TegraPol-21 (рис. 3.9в) по следующим операциям: выравнивание, тонкое шлифование, полировка 1, полировка 2.
Выравнивание проводилось при помощи алмазного диска MD-Piano 120 на следующих режимах: тип суспензии - вода; частота вращения диска -300 об/мин; усилие прижатия одного образца к поверхности диска - 30 Н; время подготовки - до выравнивания. Тонкое шлифование проводилось с использованием диска MD-Allegro на следующих режимах: тип суспензии -алмазная 9 мкм; частота вращения диска - 150 об/мин; усилие прижатия одного образца к поверхности диска -ЗОН; время подготовки - 2 мин. Полировка 1 проводилась при помощи сукна MD-Dac на следующих режимах: тип суспензии - алмазная 3 мкм; частота вращения сукна - 150 об/мин; усилие прижатия одного образца к поверхности сукна - 30 Н; время подготовки - 2 мин. Полировка 2 выполнялась при помощи сукна MD-Nap на следующих режимах: тип суспензии - алмазная 1 мкм; частота вращения сукна - 150 об/мин; усилие прижатия одного образца к поверхности сукна - 25 Н; время подготовки - 2 мин. После каждой операции полученные образцы тщательно промывались и просушивались.
Готовые металлографические образцы (шлифы) исследовались на микротвердость поверхности при помощи микротвердомера Durascan 20 (рис. 3.9г). Оценка микротвердости проводилась квадратной алмазной пирамидкой с углом при вершине 136 . Нагрузка на индентор составляла от 10 до 100 г по ГОСТ 2789-73.
На основании измеренной площади прямоугольника, полученного на экране пересечением касательных к вершинам отпечатка линий, прибор выдает значение микротвердости по шкале Виккерса.
Измерение микротвердости материала проводили через 15 мкм. Среднее значение микротвердости определяли по результатам усреднения не менее 3 замеров.
Для выявления структурных составляющих материала покрытий полированные шлифы подвергали химическому травлению раствором азотной кислоты (HNO3) в этиловом спирте, погружая их в реактив на 3-4 с. После травления образцы промывали проточной водой и просушивали с помощью фильтровальной бумаги.
Исследование микроструктуры соединения проводилось на анализаторе фрагментов микроструктуры твердых тел «SIAMS 700» в составе: микроскоп Olympus GX-51, камера SIMAGIS ЗМ-75 и программное обеспечение анализатора «SIAMS Photolab v. 4.1» (рис. 3.10).
Триботехнические испытания проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 23.224-86 и РД 10.003-2009 [95]. Данный стандарт устанавливает общие положения методов оценки износостойкости восстановленных деталей подвижных соединений, с использованием в качестве нагрузки оптимального ее значения для выбранной пары материалов. Испытания проводились на материалах из которых изготавливается пары трения «блок цилиндров - распределитель», «блок цилиндров - поршень» и «задняя крышка -золотник регулятора».
Испытания проводились по группе А. Сущность сравнительных испытаний по группе А состояла, в определении соотношения интенсивности из 122 нашивания «эталонных» поверхностей деталей и поверхностей полученных после электроискровой обработки при различных нагрузках: 1 - оптимальных, при которой коэффициенты трения пары были минимальными, 2 - нагрузками полученными с использованием метода конечных элементов.
Для проведения сравнительных триботехнических испытаний были изготовлены партии образцов. В качестве материалов были взяты: для подвижного образца «ролика» - сталь 38Х2МЮА, для неподвижного образца «колодки»-латунь ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1 (рис. 3.11).
Рисунок 3.11 - Общий вид и размеры: а - неподвижный образец «колодка», б -подвижный образец «ролик»
Испытания исследуемых пар трения проводили на машине для испытания материалов на трение и износ 2070 СМТ-1 (ЗАО «Точприбор») усовершенствованной в соответствии с методикой предложенной авторами ИМЭ Мордовского госуниверситета [96] и изображенной на рис. 3.12.
Результаты дефектации и микрометражных исследований регулируемых аксиально-поршневых насосов серии
Анализ карты Парето показывает, что наибольшее влияние на толщину покрытия оказывает: коэффициент влияния скорости подачи электрода з=0,4943; коэффициент влияния энергии искрового разряда А\ = 0,13176; коэффициент Влияния частоты подачи искрового разряда А2 = 0,0023; комбинация факторов энергии искрового разряда и скорости подачи электрода А\А3 = 0,0461; коэффициенты влияния комбинации факторов А\А2 = 0,0003; А\А2А3 -0,0004; незначимый фактор А2АЪ = 0,6-10"7.
Проверка модели (4.12) осуществляется подстановкой значений факторов. Результаты вычислений толщины покрытия при верхнем и нижнем уровнях факторов показывают следующее: для верхнего уровня относительное отклонение расчетной величины от экспериментального значения А = 3 %, для нижнего уровня - А = 2 %. Таким образом, полученная математическая модель, описывающая влияние принятых факторов на толщину покрытия, с высокой точностью характеризует исследуемый процесс. Для определения режимов ЭИО, позволяющих получить максимальную толщину покрытия, к полученной математической модели (4.12) применяется метод крутого восхождения. Для толщины покрытия определили базовый фактор Х\, для которого произведение bfAXi оказалось наибольшим по абсолютной величине, равным 51,79. Выбирается сдвиг направления крутого восхождения по базовому фактору, равный /л = 0,9. Определяется величина первого шага эксперимента Лш = 0,9/51,79 = =0,017. Вычисляются первые шаги факторов Х\ и Х2. При этом значения округляются для X, = 0,011; Х2 = 1 и Хъ = 0,003.
Результаты многофакторного эксперимента показали, что оптимальными режимами электроискровой наплавки поршней, при которых достигается максимальная толщина слоя металлопокрытия (594 мкм при сплошности не менее 70%), являются: энергия искрового разряда, равная 4,25 Дж; частота подачи искрового разряда равная 400 Гц и скорость подачи электрода равная 0,25 мм/мин. Поверхности, восстановленные на этих режимах подвергнуться дальнейшим исследованиям.
Исходными материалами при проведении металлографических исследований служили образцы из латуни ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1 упрочненные электродом из аналогичного материала и образцы из стали 38Х2МЮА с нанесенным слоем металлопокрытия из стали 65Г. Исходная миктротвердость образцов из латуни ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1 составляла 163...166 HV. А для образцов из стали 38Х2МЮА- 810...830 HV.
Методика металлографических исследований представлена в п. 3.7.1. При упрочнении латуни ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1 электродом из латуни ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1 исследовалось изменение микротвердости по глубине поверхностного слоя материала от энергии разряда (режим установки), частоты подачи импульсов и времени обработки.
Изменение микротвердости по глубине при упрочнении латуни ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1 электродом из аналогичного материала в зависимости от энергетических режимов (энергии разряда) установки Алиер-31: а - графики изменения микротвердости упрочненной поверхности в зависимости от энергетических режимов (энергии разряда) установки Алиер-31: 1 - 1 -й энергетический режим (энергия единичного разряда 0,11 Дж), 2 - 2-й энергетический режим (энергия единичного разряда 0,22 Дж), 3-3-й энергетический режим (энергия единичного разряда 0,32 Дж), 4 - 4-й энергетический режим (энергия единичного разряда 0,9 Дж); б - фото распределения микротвердости по глубине слоя упрочненного на 2-м энергетическом режиме (0,22 Дж) установки Алиер-31.
Исследование по влиянию энергетических режимов (энергии разряда) на изменение микротвердости упрочненной поверхности производили при фиксированных значениях: частота подачи импульсов 100 Гц и время обработки 4 мин. На рисунке 4.30 представлено изменение микротвердости упрочненной поверхности в зависимости от энергетических режимов установки Алиер-31.
Оценку влияния частоты подачи импульсов на изменение микротвердости упрочненной поверхности производили при фиксированных значениях: 2-й энергетический режим (0,22Дж) установки Алиер-31 и время обработки 4 мин. Результаты исследования представлены на рисунке 4.316.
Изменение микротвердости по глубине при упрочнении латуни ЛМцКНС58-3-1,5-1,5-1 электродом из аналогичного материала в зависимости от частоты подачи импульсов на установке Алиер-31: а - графики изменения микротвердости упрочненной поверхности в зависимости от частоты подачи импульсов установки Алиер-31:1 — при 50Гц, 2 - при 100 Гц, 3 - при 200 Гц, 4 - при 400 Гц, 5 - при 800 Гц; б - фото распределения микротвердости по глубине слоя упрочненного на 2-м энергетическом режиме (0,22 Дж) установки Алиер-31 при частоте подачи импульсов 100 Гц.
Анализируя рисунок 4.31 можно заключить, что частота подачи импульсов в значительной степени влияет на микротвердость при упрочнении поверхности. Наилучшие результаты показывают кривые распределения микротвердости при упрочнении поверхностей с частотой подачи импульсов 100, 200 и 400 Гц (соответственно, кривые 2, 3 и 4). Предпочтительной час 180 тотой является частота подачи импульсов равная 400 Гц (кривая 4), как видно из рисунка, она имеет максимальное значение микротвердости 208 HV и глубину упрочненного слоя не менее 0,140 мм.
