Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние, условия эксплуатации, работоспособность и ремонт дноуглубительных земснарядов 12
1.1 Особенности работы дноуглубительных земснарядов 12
1.2 Многовариантность технологий ремонта многочерпаковых земснарядов 14
1.2.1 Объекты повышенного износа деталей черпаковой цепи... 15
1.2.2 Применяемые приемы и методы ремонта 15
1.3 Основные направления повышения износостойкости материалов, деталей и узлов черпаковой цепи земснарядов 17
1.3.1 Повышение твердости рабочих поверхностей 18
1.3.2 Сочетание твердости и пластичности материалов 24
1.3.3 Выбор марок сталей в сочетании с видами и режимами термической и химико-термической обработки 25
1.3.4 Технологии упрочнения рабочих поверхностей 29
1.3.5 Изменение конструкции изнашивающихся деталей 34
1.3.6 Влияние качества ремонта и сборки черпаковой цепи 37
1.4 Выводы по 1 главе 40
2. Теоретический Анализ закономерностей абразивного изнашивания деталей как основа для выбора эквивалентных состояний 43
2.1 Общие аспекты абразивного изнашивания материалов 43
2.2 Характер взаимодействия рабочих поверхностей деталей с абразивной частицей 44
2.3 Влияние условий эксплуатации на характер и величину износа при абразивном изнашивании 53
2.4 Взаимосвязь механических свойств с износостойкостью при абразивном изнашивании 55
2.5 Разновидности абразивного изнашивания деталей машин 63
2.5.1 Удар по абразиву 63
2.5.2 Качение по абразиву 68
2.6 Энергетическая и синергетическая природа разрушения (изнашивания) 69
2.7 Классификация отказов и их последствия 71
2.7.1 Основные виды отказов 71
2.7.2 Структурные уровни изучения отказов 71
2.8 Законы состояния хрупких и пластичных металличческих материалов и критерии оценки их разрушения и абразивного изнашивания 74
2.8.1 Хрупкое разрушение, критерии и механизмы разрушения 74
2.8.2 Критерий Гриффитса 77
2.8.3 Влияние напряженного состояния на критерии хрупкости 78
2.8.4 Влияние напряженного состояния на поведение предельной пластичности и сопротивления разрушению металлов 81
2.8.5 Вязкое разрушение, механизмы и критерии его оценки 85
2.9 Законы поведения металлов, условия и характер их
проявления при разрушении и абразивном изнашивании 87
2.9.1 Кинетические уравнения процессов 87
2.9.2 Критерии механики разрушения 89
2.9.3 Синергетические критерии разрушения 93
2.9.4 Критерии метода царапания 97
2.10 Влияние поверхностного слоя на работоспособность деталей при абразивном изнашивании 101
2.11 Временные характеристики для оценки поведения металлов 105
2.11.1 Связь предельных характеристик металлов с силовыми, временными, структурно-энергетическими и энергетическими параметрами состояния деталей 105
2.11.2 Комплексные условия разрушения металлов при нагрузке (деформации) 108
2.12 Анализ моделей абразивного изнашивания 110
2.12.1 Термодинамическая модель 111
2.12.2 Синергетическая модель 113
2.12.3 Структурно-энергетическая модель 116
2.12.4 Кинетическая модель 119
2.12.5 Обобщенные закономерности износостойкости металлов 121
2.13 Выводы по главе 2 128
3 Методика оценки и выбора материалов при изготовлении быстроизнашивающихся деталей машин (типа многочерпаковых земснарядов) 130
3.1 Выбор показателей эквивалентных структурно- энергетических состояний 130
3.1.1 Твердость (НВ), относительная твердость (коэффициент твердости Ктв, показатель структурно-энергетического состояния Псэс) 130
3.1.2 Показатели напряженного состояния металла -структурно-энергетический - (Псэс) и механический (Пм) .133
3.2 Диаграммы структурно-энергетического состояния «твердость (относительная твердость) - энергоемкость (предельная удельная энергия деформации)» 135
3.3 Диаграмма предельного механического состояния 136
3.4 Критерии разрушении пластичных металлов 140
3.5 Алгоритм использования диаграмм предельного состояния для оценки и выбора материалов 141
3.6 Выводы по главе 3 143
4. Применение методики для выбора материалов при изготовлении сменно-запасных деталей черпаковых земснарядов 145
4.1 Расчет значений энергоемкости и критериев разрушения для сталей различных классов 145
4.2 Практическая реализация результатов исследований в судоремонте при изготовлении сменно-запасных деталей 157
4.3 Выводы по главе 4 161
Общие выводы 162
Список библиографических источников 164
Приложения 176
- Основные направления повышения износостойкости материалов, деталей и узлов черпаковой цепи земснарядов
- Взаимосвязь механических свойств с износостойкостью при абразивном изнашивании
- Критерии разрушении пластичных металлов
- Практическая реализация результатов исследований в судоремонте при изготовлении сменно-запасных деталей
Введение к работе
Актуальность темы. Состояние водных путей во многом определяется эффективностью работы речного технического флота в навигационный период эксплуатации.
Суда технического флота (черпаковые земснаряды, землесосы и др.) выполняют всевозможные задачи - дноуглубительные работы на водных путях, создание новых судоходных трасс, строительство искусственных судоходных каналов для соединения рек, создание гидротехнических сооружений, намыв плотин, дамб и берегов рек, возведение насыпей, добыча песка, гравия и других минерально-строительных материалов, разработка подводных траншей при прокладке кабелей, магистральных газо- и нефтепроводов.
Использование потенциала внутренних водных путей является одним из эффективных направлений развития международного транспортного движения по территории России, в частности коридора «СЕВЕР-ЮГ». За счет использования судов смешанного плавания «река-море» осуществляются бесперевалочные перевозки грузов, а также развитие круизного пассажирского судоходства. Российские водные пути отнесены к VI-VII категориям европейской классификации, что требует выполнения большого объема дноуглубительных работ. Однако за последние 10 лет состав дноуглубительного флота России сократился в 1,5 раза, причем его состояние сильно изношено. Ремонтные простои в течение навигационного периода составляют до 20% рабочего времени и существенно снижают эффективность работы земснарядов. Проектирование и изготовление нового флота из-за длительности процесса и его высокой стоимости в настоящее время проблематично. Поэтому одной из основных задач, стоящей перед научными, проектными и эксплуатирующими организациями речного
флота, является продление срока службы существующих дноуглубительных земснарядов. Для этого требуется развитие технологий судоремонта с применением материалов с высокими предельными характеристиками.
Целью работы является повышение долговечности деталей черпа-ковой цепи дноуглубительных земснарядов, эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания, ударных и динамических нагрузок.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Анализ экспериментальных и теоретических работ по износостойкости сталей в разных структурных состояниях, анализ моделей и закономерностей абразивного изнашивания.
Анализ особенностей поведения хрупких и пластичных материалов при абразивном изнашивании.
Установление взаимосвязи износостойкости сталей с известными и новыми критериями разрушения.
Разработка новых комплексных диаграмм структурно-энергетического состояния, позволяющих оперативно выбирать взаимозаменяемые материалы для деталей земснарядов
Разработка методики выбора эквивалентных состояний материалов и взаимозаменяемых технологий, основанной на применении характеристик предельного состояния материалов.
Установление области применения упрочняющих технологий по новым диаграммам состояния материалов, разработка алгоритма применения методики для разработки взаимозаменяемых технологий изготовления деталей.
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать и внедрить ресурсосберегающие технологии в судоремонтном производстве.
Объект исследований - сменно-запасные детали многочерпако-вых земснарядов, эксплуатирующиеся в условиях повышенного абразивного изнашивания (детали черпаковой цепи - пальцы, втулки, черпаки, скаты и пр.).
Методы исследования - аналитические, основанные на анализе современных представлений о природе пластической деформации и разрушения материалов, а также моделей изнашивания.
Научная новизна работы сводится к следующему:
Установлены особенности абразивного изнашивания хрупких и пластичных материалов в связи с особенностями поведения их предельных характеристик в зависимости от объемного напряженного состояния сжатия и сдвига, имеющих место при изнашивании.
Установлены обобщенные закономерности абразивной износостойкости металлических материалов (сталей) в зависимости от физических, технологических, эксплуатационных и прочих факторов, при этом использованы новые синергетические критерии разрушения, необходимые для сравнения интенсивности изнашивания различных материалов.
Обоснована и разработана новая комплексная методика оценки и выбора взаимозаменяемых структурно-энергетических состояний металлических сплавов, технологий, обеспечивающая эквивалентную или повышенную износостойкость деталей, эксплуатируемых в условиях абразивного износа.
Предложены новые диаграммы структурно-энергетического состояния материалов в системе координат «энергоемкость (предельная удельная энергия деформации при растяжении)- относительная твердость»; новые методы анализа и получения эквивалентных (взаимозаменяемых) состояний материалов и технологий.
Практическая ценность работы:
1 Предложена новая комплексная методика оценки и выбора эк
вивалентных, взаимозаменяемых состояний, материалов и техноло
гий, необходимых при изготовлении сменно-запасных деталей зем
снарядов, включающая:
-диаграммы структурно-энергетического состояния сталей, которые используются для определения допустимых и оптимальных значений и интервалов энергоемкости и твердости при выборе материалов и разработке технологии изготовления деталей;
примеры диаграмм для хрупких и пластичных материалов (чу-гуны, НОГ 13Л, графитизированные и конструкционные стали), в широких диапазонах изменений твердости и энергоемкости, позволяющие оперативно выбирать материалы при изготовлении сменно-запасных деталей;
примеры обоснованного выбора требуемых взаимозаменяемых состояний базовых марок сталей для конкретных изнашивающихся деталей черпаковой цепи;
значения новых критериев разрушения, которые количественно выражают развитие процесса разрушения (изнашивания) металлов, позволяют показать роль структуры сталей (величины зерна, дисперсность вторых фаз, плотность дефектов и т.д.) после различных режимов термообработки.
2 Определены предельные значения и диапазоны изменения
твердости и энергоемкости для распространенных сталей после раз
личных видов и режимов термической и других упрочняющих обра
боток, позволяющие оперативно сравнивать и выбирать взаимозаме
няемые состояния, материалы и упрочняющие технологии.
3 Разработаны технологии изготовления деталей черпаковой цепи, которые обеспечивают эквивалентную или повышенную износостойкость сменно-запасных деталей.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методика оценки структурно-энергетических состояний материалов и износостойкости деталей с помощью стандартных механических свойств и эквивалентных предельных характеристик металлов -предельной удельной энергии деформации (энергоемкости), относительной твердости, критериев разрушения— критерия зарождения трещин, распространения трещин, чувствительности механических свойств и предельных характеристик к напряженному состоянию.
Установление обобщенных закономерностей износа материалов в зависимости от физических, механических, технологических и других факторов.
Диаграммы предельного состояния сталей для назначения эквивалентных взаимозаменяемых технологий изготовления деталей, выбора оптимальных состояний и марок сталей.
Достоверность результатов диссертационного исследования подтверждена продолжительными натурными испытаниями опытных деталей на черпаковых дноуглубительных земснарядах и обеспечением уровня механических свойств, определяющих долговечность, соответствующих требованиям стандартов.
Апробация работы. Полученные теоретические и практические результаты обсуждались на II Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2000 г.), Международном научно-промышленном форуме «Великие реки-2005» (Нижний Новгород, 2005 г.), Научно-методической конференции профессорско-
преподавательского состава, аспирантов и специалистов ВГАВТ (Нижний Новгород, 2005 г.)
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 2 приложений. Основной текст диссертации изложен на 163 с машинописного текста, в том числе 49 рисунков и 15 таблиц. Список библиографических источников включает 122 наименования.
Основные направления повышения износостойкости материалов, деталей и узлов черпаковой цепи земснарядов
Анализ многочисленных приемов и технологий ремонта быстроизнашиваемых деталей рабочего оборудования земснарядов показывает, что существуют следующие основные направления повышения износостойкости материалов [2, 21, 39]: а) повышение твердости рабочих поверхностей; б) сочетание твердости и пластичности; в) замена марок сталей в сочетании с новыми видами и режима ми термической (ТО) и химико-термической (ХТО) обработки; г) развитие технологий упрочнения рабочих поверхностей (на примере деталей черпаковой цени); д) изменение геометрии конструкций изнашивающихся деталей; е) применение эластичных материалов для изнашивающихся де талей и узлов; ж) повышение качества ремонта, наплавки и сборки черпаковой цепи. Проанализируем кратко достоинства, недостатки и научную обоснованность применяемых методов Для увеличения твердости материалов деталей применяют высокопрочные марки сталей и чугунов, износостойкие наплавки, различные способы поверхностного упрочнения (механическое, электромеханическое, обработка взрывом, термическое, химико-термическое, лазерное и т.д. [2, 39]). В результате добиваются получения очень высокой твердости (до 7000 HV) и, соответственно, износостойкости рабочих поверхностей. При изготовлении и ремонте черпаковых земснарядов применяют также высокопрочные материалы. Значительным износам и повреждениям в процессе эксплуатации подвергаются сами черпаки, у которых интенсивно изнашиваются полозки, режущие кромки, отверстия под втулки. Изнашиваемые участки черпаков дублируют листами и наплавляют электродами. Однако после наплавки полозков их поверхность не обрабатывается, что ведет к повышенному износу скатов. Одним из способов защиты полозков от истирания является дублирование их пластинами из простой стали, что не увеличивает срок службы черпаков в период их эксплуатации. Пластины же из высокомарганцовистой стали повышают срок эксплуатации, но обладают плохой свариваемостью с основным металлом черпака. При решении этой задачи была разработана технология восстановления черпаков с использованием биметаллических облицовок сталью (110Г13 + Ст. 3), соединенных методом сварки взрывом [2].
Однако получение биметалла с помощью взрыва требует сложной технологии и организации производства. Установка самих пластин производится сваркой за два раза: несущими и защитными швами, перед которой необходимо механическая обработка базовых поверхностей. Это приводит к увеличению трудоемкости ремонтных работ и ограничивает широкое внедрение этого метода.
В практическом отношении твердость часто является единственным показателем механических свойств материала. Однако, существует мнение о двойственном характере влияния твердости материала на его сопротивление абразивному изнашиванию, так как значительное повышение твердости, приводит в ряде случаев к повышению хрупкости, к снижению надежности деталей против ударных нагрузок [42, 70, 116]. В результате эффективное использование высокопрочных материалов затрудняется. Кроме- того, при одинаковой твердости разных материалов износостойкость может отличаться в 3-4 раза. Но выбор оптимальной твердости всегда необходим, так как связан с технологией упрочнения деталей машин и механизмов [118].
Основными факторами, определяющими характер абразивного изнашивания рабочих органов строительных и дорожных машин, являются абразивные свойства грунтов и степень динамичности рабочего процесса. Несмотря на отсутствие общепринятой единой методики испытания, абразивность грунтов ориентировочно оценивают по шкалам абразивности [15, 120]. Из всех строительных и дорожных машин только одноковшовые экскаваторы работают с широким диапазоном грунтов: от разработки песка, где практически отсутствуют динамические нагрузки, до разработки взорванной скалы, где присутствуют камни.
Установлено [118, 120], что износостойкость различных материалов зависит от соотношения твердости пар: абразивных зерен На и твердости материала Нл„ которое называется коэффициентом твердости ктв = Нм1На. При ктв = 0,6 механическое (абразивное) разрушение поверхности происходит сравнительно легко. При значении ктв = (\..Л,5) износостойкость повышается от конечной величины до бесконечности [120]. Дальнейшее повышение значений ктв приводит к возрастанию сопротивляемости металла действию абразива.
Для черпаковой цепи, соотношение твердости «втулка - палец» раВНО Ктв ГІвтулка "палец Л Основной трудностью в изучении процесса абразивного износа под действием динамических нагрузок является сложность установления фактических удельных нагрузок, возникающих в момент удара абразива о деталь, в связи с невозможностью определения фактической площади контакта. Поскольку численное определение удельных нагрузок по выше изложенным причинам вызывает чрезвычайные трудности, предлагается оценивать удельные нагрузки по результату их действия на материал детали, т.е. определять не сами величины удельных нагрузок, а оценивать вызываемые ими изменения в материале деталей. С этой целью было проведено исследование степени наклепа зубьев ковшей экскаваторов, изготовленных из стали 110Г13Л, работающих в условиях абразивного изнашивания под действием нагрузок различной динамичности Известно, что степень наклепа зависит от величины вызывающего его удара [47, 72]. В результате исследования установлено: -наклеп на поверхности и в глубине зуба распределяется неравномерно и возрастает там, где зуб наиболее изнашивается, т.е. степень наклепа оказывается пропорциональной удельным нагрузкам, определяющим степень интенсивности абразивного изнашивания; - с повышением степени динамичности нагрузок, вызывающих абразивное изнашивание (таблица 1.1), возрастает в определенной степени средняя величина наклепа участков зубьев, подвергающихся интенсивному изнашиванию. Примем для всех последующих сравнений в качестве базового материала сталь НОГ 13Л, которая широко применяется у наиболее изнашивающихся деталей [38, 39,120]. Общий анализ характера изношенных поверхностей показывает, что абразивное изнашивание зубьев ковшей экскаваторов характеризуется (в зависимости от степени динамичности нагрузок) появлением износа в виде микро- и макроцарапин глубиной от 25 до 5000 мкм и более с относительно небольшим количеством микро- и макровыры-вов средней площадью от 3 до 100 мм . Таким образом, оценку степени динамичности нагрузок, вызывающих абразивное изнашивание, в первом приближении можно производить по коэффициенту динамичности кд, который характеризует наклеп материала деталей. Этот коэффициент определяется по формуле
Взаимосвязь механических свойств с износостойкостью при абразивном изнашивании
В исследованиях [15, 93] учитывали влияние пределов прочности и текучести, твердости, относительного удлинения, относительного сужения, ударной вязкости, энергоемкости, поверхностной энергии, удельного электрического сопротивления, коэрцитивной силы. Установлено, что: а) по характеру влияния все характеристики механических свойств сталей разделились на две группы: при их раздельном учете повышение одних показателей (твердости, предела прочности и предела текучести) положительно влияет на износостойкость (рисунок 2,9), повышение других (относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость) влияют на износостойкость отрицательно, но конечное влияние всех свойств на износ остается совместным. По общей тенденции выявлена та же связь, что и на рисунках 2.5 и 2.6, когда одному значению твердости соответствует несколько разных значений износостойкости стали одного состава. б) с повышением твердости стали в хрупкой и вязкой областях разрушения износостойкость увеличивается, причем выявляется пороговое различие в изменении износостойкости стали на границе хрупко-вязкого перехода, когда одному значению характеристики соответствуют разные значения износостойкости, т.е. на износостойкость большое влияние оказывает структура; при постоянной твердости изменение в широком интервале предела прочности и предела текучести или не отражается на износостойкости, или это влияние незначительно (рисунок 2.10). в) влияние показателей прочности начинает проявляться только при высокой твердости 61 HRC3, т. е. в хрупкой области разрушения. г) при переменном значении твердости показатели прочности и пластичности влияли на износостойкость различно: при постоянном значении твердости показатели прочности, пластичности и ударной вязкости имеют одну тенденцию: при равной твердости повышение других механических характеристик прочности, пластичности вносит дополнительную прибавку к общему значению износостойкости; д)при одинаковой твердости более высокую износостойкость имеют те стали, у которых выше другие характеристики механических свойств. Наиболее существенное дополнительное влияние, например, предела прочности наблюдается в области высоких твердости и хрупкости стали (рисунок 2.11). е) при изучении влияния энергоемкости в шейке образца при од ноосном растяжении [93] на износостойкость при абразивном изнаши вании установлено, что энергоемкость влияет на износостойкость поло жительно (рисунок 2.12). ж) при повышении характеристик прочности износостойкость стали увеличивается, при увеличении пластичности — снижается, в хрупкой области повышение предела прочности, предела выносливости и сопротивления срезу снижает износостойкость, в вязкой области с по вышением этих характеристик износостойкость растет - рисунок 2.13; з) во всех рассмотренных зависимостях максимум износостойкости находится в хрупкой области разрушения. На границе хрупкой и вязкой областей значения износостойкости образцов сближаются. В целом, зависимость износостойкости сталей от механических свойств имеет сложный характер. Это объясняется сложностью изменения показателей механических свойств закаленной стали в зависимости от температуры отпуска - рисунки 2.14 и 2.15 [114].
Повышение содержания углерода на износостойкость легированных сталей показана на рисунке 2.16 и приводит к следующему: -у сталей перлитного класса показатели прочности снижаются, а показатели пластичности растут; -у сталей мартенситного класса - то же, что и для перлитного класса, но падение прочности и рост пластичности смещается в область более высоких температур отпуска; - у мартенситно-стареющих сталей показатели прочности растут при сохранении высокой пластичности; - у сталей аустенитного класса отпуск до 400С не изменяет показатели прочности и пластичности, а выше приводит к снижению предела прочности и пластичности, твердость сталей несколько повышается; - у сталей карбидного класса показатели прочности снижаются, а затем наблюдается их рост; характеристики пластичности не изменяются. Стали, обеспечивающие максимальную износостойкость, приведены в таблице 2.1 [17, 22, 39, ПО], а связь между изменением свойств после отпуска и износостойкостью - на рисунке 2.17. Сталь карбидного класса Р18 имеет максимальную износостойкость, она достигается за счет высокой твердости и теплостойкости; высокая твердость сохраняется до температуры 600С. Сталь 95X18 мартенситного класса сохраняет твердость и прочность до температуры отпуска 300С. Сталь 45 имеет твердость почти на 10 единиц ниже, чем Р18, но износостойкость ее ниже в 3 раза, чем у Р18. Аустенитная литая сталь 110Г13Л, несмотря на самую низкую твердость в исходном состоянии (в 2 раза ниже), вследствие сильного упрочнения при изнашивании, имеет износостойкость выше, чем сталь Н18К9М5Т, и близкую к износостойкости стали 45. Мартенситно-стареющая сталь Н18К9М5Т имеет высокую теплостойкость, но самую низкую твердость, поэтому самую низкую износостойкость. В работах [52, 76, 77, 111] показано, что удельное электрическое сопротивление коррелирует с износостойкостью наплавочных материалов - с ростом этого показателя износостойкость наплавочных сплавов повышается линейно (рисунок 2.18), та же картина наблюдается при изнашивании углеродистых сталей.
Критерии разрушении пластичных металлов
Методика использования комплексов синергетики основана на использовании механических свойств и следующих основополагающих представлений [36], частично представленных в главе 2: 1) в поликристаллических металлах переход от стабильного роста трещины к нестабильному контролируется тремя взаимосвязанными величинами: пределом текучести ?т, объемной плотностью предельной удельной энергии деформации Wc и критической энергией на единицу длины трещины Кіс (или пропорциональной ей критической величиной предельной удельной энергии деформации W p в зоне перед трещиной) [36,40, 113]; 2) важнейшей характеристикой структурно-энергетического со стояния поликристалла является предельная удельная энергия (рабо та), затраченная на деформацию единицы его объема до момента раз рушения Wc (т.е. предельная удельная энергия деформации) [36, 56]. Wc- показатель вязкости металла, размерность (МДж/м ): чем выше удельная работа деформации, тем труднее разрушение, т.е. труднее зарождаются и распространяются трещины. В отличие от других показателей материала (ударная вязкость, работа удара), рассчитанных для одного определенного типа деформации и имеющих узко прикладное значение, Wc справедлива для любого типа нагрузки; 3) величина Wc служит для определения структурно чувствительных энергетических (синергетических) величин: комплекс зарождения трещины Кзт (чем выше значения Кзт, тем труднее зарож даются трещины); комплекс распространения трещины Крт (чем выше Крт, тем труднее в материале распространяются трещины); комплекс хрупкости Кхр; (чем выше Кхр, тем сильнее критерий распространения трещины превышает критерий зарождения трещин); комплекс мас штаба Км (чем выше этот критерий, тем лучше материал противостоит увеличению масштаба заготовки или крупной детали). Знание механических свойств, а также комплекса величин Wc, Псэс, Кзт, Крт, Кхр, Км, позволяет полнее оценить состояния сплавов после любой упрочняющей обработки и сравнить их между собой. для оценки и выбора материалов 1 Выбрать класс сталей. 2 Определить виды термической и/или пластической упрочняющей обработки для данного класса, найти соответствующие им механические свойства, например, после закалки и отпуска. Рассчитать значения энергоемкости Wc и относительной твердости Псэс, построить их зависимость между собой в виде диаграммы предельного структурно-энергетического состояния. 4 Дать анализ химического состава, вида и режима обработки стали с точки зрения полученных значений Wc и Псэс, и расположение их на диаграмме. 5 Рассчитать критерии разрушения синергетики по формулам (2.22)-(2.25) 6 Построить зависимости критериев разрушения, например, в зависимости от температуры отпуска, от относительного сужения, от предела текучести, от твердости и т.д. 7 Дать анализ полученных зависимостей с точки зрения их взаимосвязи. 8 Выбрать деталь, подвергаемую ремонту, марку стали, вид ТО (ХТО), твердость, механические свойства, износостойкость. 9 Рассчитать для материала этой детали значения Wc и Псэс, критериев разрушения, значения износостойкости. 10 Нанести на готовую диаграмму Wc и Псэс данного класса сталей значения Wc и Псэс, материала этой детали. 11 Найти взаимозаменяемую марку стали (или несколько) близкими значениями энергоемкости и относительной твердости. 12 Сравнить критерии разрушения и износостойкость взаимозаменяемых марок сталей. 13 При необходимости подобрать другой режим ТО (ХТО) с целью получения новых значений Wc и Псэс, критериев разрушения, которые обеспечивают эквивалентные значения износостойкости. 14 Произвести выбор взаимозаменяемых материалов, режимов ТО, технологий ремонта, выпустить техническую документацию. При практическом применении одинаковые значения твердости НВ можно найти, например в ГОСТ 4543, ГОСТ 5949 и др., расчеты предельной энергоемкости и критериев разрушения выполнить по формулам (2.21)-(2.25).
В работе приведены расчеты предельных характеристик, критериев разрушения синергетики для различных хрупких и пластичных машиностроительных сплавов железа. Даны примеры применения методики для выбора взаимозаменяемых марок чугунов и сталей. 1 Разработана новая комплексная методика оценки и выбора материалов при изготовлении сменно-запасных деталей черпаковай цепи земснарядов, позволяющая оперативно оценить их относительную износостойкость в условиях абразивного изнашивания. 2 Предложены показатели эквивалентного структурно-энергетического состояния металлов и сплавов: коэффициент твердости, структурно-энергетический показатель состояния, механический показатель напряженного состояния, энергоемкость, позволяющие количественно оценить достигнутые уровни и поведение предельного энергетического состояния (от 1.0 и выше) металлических сплавов после различных режимов ТО и ХТО; находить эквивалентные значения предельных характеристик материалов, необходимых при изготовлении деталей земснарядов и других машин, эксплуатирующихся в условиях абразивного износа. 3 Разработаны диаграммы предельного структурно-энергетического состояния металлов и сплавов в координатах «твердость (относительная твердость) - энергоемкость (предельная удельная энергия деформации)». Построены диаграммы связи предельных механических характеристик. 5 Разработан алгоритм использования диаграмм предельного состояния и сипергетических критериев разрушения для оценки и выбора материалов сменно-запасных деталей черпаковой цепи земснарядов. В работе по разработанной методике выбора эквивалентных состояний материалов для 14 классов различных сталей были рассчитаны и определены диапазоны предельных характеристик твердости, энергоемкости и критериев разрушения, которые приведены в таблице 4.1. Эквивалентными состояниями металлов, как это было сказано выше, будем считать такие, которые имеют одинаковые предельные характеристики и обеспечивают одинаковую износостойкость. В зависимости от режимов ТО и ХТО, а также условий эксплуатации предельные характеристики материалов могут существенно изменяться (таблица 4.2). а) Хрупкие материалы. Ковкий чугун. В таблице 4.3 приведены режимы обработки, в таблице 4.4 механические свойства и критерии разрушения, на рисунках 4.1-4.4 приведены диаграммы связи величин энергоемкости и критериев разрушения 8 марок ковкого чугуна с механическими свойствами.
Практическая реализация результатов исследований в судоремонте при изготовлении сменно-запасных деталей
Наибольшему износу деталей звеньев черпаковой цепи дноуглубительных земснарядов, как это было уже отмечено ранее, подвержены пальцы. От технического состояния данных деталей зависит надежность эксплуатации всей черпаковой цепи. Несмотря на многочисленные эксперименты и многолетние исследования, до сих пор традиционным материалом для их изготовления является сталь 110Г13. Укрупненный технологический процесс изготовления серийных пальцев черпаковой цепи из стали 1 ЮГ 13 включает в себя следующие основные операции. Заготовительная операция - заготовки предварительно нагреваются до (850...900)С, а затем осуществляется из отрубка молотом в нужный размер. Термическая операция - заготовки подвергаются нагреву до (П00...1150)С. Штамповочная операция - нагретые заготовки на горизонтально-ковочной машине подвергаются предварительной штамповке. Термическая операция - заготовки вновь нагревают до (П00...1150)С. Штамповочная операция - в пальце пробивается отверстие под чеку. Термическая операция - заготовки нагревают до (1100...1150)С. Штамповочная операция - заготовки пальцев калибруют в рабочий размер. Термическая обработка - закалки пальцев до требуемой твердости. Таким образом, действующей технологией предусмотрен многократный нагрев пальцев до высоких температур, что приводит к значительному обезуглероживанию поверхностных слоев. Кроме того, сталь 110Г13 очень трудно обрабатывается лезвийным инструментом, относится к достаточно дефицитным и дорогостоящим материалам. Поэтому после выполнения ковочных и штамповочных операций, рабочие поверхности пальцев на металлорежущих станках не обрабатываются. В результате чего повышается трудоемкость сборки сочленений черпаковой цепи по причине большого количества слесарно-пригоночных работ. Так как втулки, в которые устанавливаются пальцы, также изготавливаются из стали 110Г13 и не обрабатываются, то с самого начала эксплуатации наблюдается интенсивный абразивный износ рабочих трущихся поверхностей. Технологический процесс изготовления экспериментальных пальцев включает выполнение следующих операций. Заготовительная операция - из круглого проката (материал сталь 20Х) вырезается заготовка нужного размера (фрезерованием или точением). Токарная операция - на токарном станке изготавливается палец требуемых размеров. Химико-термическая операция - цементация с последующей закалкой до необходимой твердости рабочих поверхностей. Представленная технология достаточно проста, не требует сложного оборудования и больших производственных площадей для изготовления экспериментальных пальцев черпаковой цепи. При этом пальцы новой конструкции более технологичны при сборке черпаковой цепи, а также при их восстановлении методами наплавки.
В настоящее время в Волжском регионе находятся в эксплуатации пять черпаковых дноуглубительных земснарядов. Во время выпол нения судоремонтных работ ежегодно по причине изнашивания приходится заменять у устанавливать около 300 новых пальцев звеньев чер-паковой цепи (4 500 кг материала). По разработанной методике, исходя из экономичности, дефицитности, износостойкости, а также производственных условий была выбрана марка стали 20Х и технологический режим ее ХТО с целью замены штатного материала 110Г13. Согласно разработанной методике, можно рекомендовать ряд других марок сталей и соответствующие им технологические режимы ТО или ХТО. Рисунок 4.6 - Стоимость изготовления серийных и экспериментальных пальцев звеньев черпаковой цепи Опытные детали, которыми был укомплектован земснаряд «Профессор Лукин» отработали более 10 000 ч (акт испытаний приведен в Приложении). На основании проведенных натурных продолжительных испытаний экспериментальных пальцев установлено, что их износостойкость в 2,2 раза превышала штатные (серийные) детали -см. рисунок 4.7. При этом износ втулок уменьшился в 1,4 раза. В 2005 г. новая технология изготовления пальцев черпаковой цепи была принята к промышленному внедрению в судоремонтное производство Волжского ГБУ (акт внедрения приведен в Приложении). В конце 2005 года по данной технологии было изготовлено 140 пальцев в качестве сменно-запасных деталей для черпаковых земснарядов. Для других деталей сочленения черпаковой цепи земснарядов (черпаки, скаты, барабаны, звенья) даны практические рекомендации по выбору наплавочных материалов покрытий при выполнении судоремонтных работы, с целью повышения их работоспособности. Рассчитаны и определены диапазоны значений энергоемкости и твердости сталей различных классов и чугунов после различных ТО. 2 Рассчитаны значения предельной удельной энергии деформации и критериев разрушения для хрупких и пластичных металлов и сплавов различных классов с целью их практического применения. 3 На основании проведенных исследований произведена и обоснована замена материала 110Г13 пальцев черпаковой цепи на сталь 20Х с разработкой соответствующей технологии ХТО. 4 Натурные испытания экспериментальных деталей подтвердили достоверность предложенной методики выбора материалов деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания, позволяющих повысить долговечность сочленения черпаковой цепи земснарядов.
