CC BY
34
ТИТОВ Юрий Владимирович, ассистент кафедры металлорежущих станков и инструментов. Адрес для переписки: tyrin-88@mail.ru РЕЧЕНКО Денис Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры металлорежущих станков и инструментов.
Адрес для переписки: rechenko-denis@mail.ru
АРТЁМЕНКО Никита Сергеевич, аспирант кафедры металлорежущих станков и инструментов. АНДРЕЙЧУК Андрей Юрьевич, студент гр. КТО-162 машиностроительного института. Адрес для переписки: zaqwsxcde430@gmail.com
Статья поступила в редакцию 27.09.2016 г. © Ю. В. Титов, Д. С. Реченко, Н. С. Артёменко, А. Ю. Андрейчук
УДК 621.822
Л. Л. ШАРГАЕВ Н. Г. МАКАРЕНКО
Омский автобронетанковый инженерный институт, г. Омск
ЭЛЕКТРОХИМИКОМЕХАНИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ ДОРОЖЕК КАЧЕНИЯ ПОДШИПНИКА_
Предложено электрохимикомеханическое упрочнение дорожек ка чения медногра-фитным материалом для повышения ресурса подшипников. Выбраны методы проведения исследований для оценки х арактеристик подшипников по результатам эксперимента. Проведены упрочнение и приработка подшипников качения, выполнены стендовые и эксплуатационные испытания н а автомобиле. Получены результаты остаточного ресурса деталей серийных и упрочненных образцов подшипников качения. Ключевые слова: электрохимикомеханическое упрочнение (ЭХМО), подшипник качения (ПК), ресурс, микротвердость, шероховатость, вибродиагностика.
Надежность, ресурс машин и механизмов в значительной степени зависят от качества подшипников качения. В настоящее время ведущие производители подшипников проводят различные исследования в области повышения качества изготовления своей продукции. В то же время подшипники выпускаются без указания ресурса.
Повышение ресурса подшипников качения — важная задача, решение которой позволит обеспечить работоспособность машин, их качественные характеристики, сократить время простоев и повысить экономическую эффективность.
Анализ исследований, выполненных ведущими производителями подшипников качения, позволяет определить основные направления повышения ресурса [1—5]:
1. Повышение квалификации персонала и культуры труда на всех стадиях жизненного цикла подшипников.
2. Использование высококачественных материалов.
3. Применение новейших научных разработок в области материаловедения, трибологии и др.
4. Модернизация производства.
5. Использование современных смазочных материалов.
6. Непрерывное совершенствование системы менеджмента качества.
Применение известных направлений повышения ресурса подшипников не всегда позволяет достичь желаемых результатов и, как правило, связано со значительными материальными затратами, примене-
нием сложного оборудования или высокой трудоемкостью изготовления подшипников. Поэтому разработка методов, технологий повышения ресурса подшипников качения является весьма актуальной.
В статье приведены результаты эксперимента по повышению ресурса подшипника качения электро-химикомеханическим упрочнением дорожек качения (наружного, внутреннего кольца). Для оценки результатов эксперимента использовались методы вибродиагностирования, измерения микротвердости и шероховатости.
В качестве объекта испытаний выбран серийный конический роликоподшипник, установленный в ступице автомобиля КамАЗ-4310, показан на рис. 1. Основные технические параметры подшипника приведены в табл. 1.
Электрохимикомеханическое упрочнение подшипника проводилось на токарном станке 16К20 с дополнительным оборудованием и приспособлениями.
В качестве оборудования использовалось: источник постоянного тока, устройство подачи и сбора рабочей жидкости. Приспособление — анод для упрочнения, изготовленный из меднографитного материала, установленный в державке с пружиной, обеспечивающей необходимое усилие прижатия к дорожке качения детали подшипника при обработке.
Суть электрохимикомеханической обработки заключается в следующем: деталь (внутреннее, наружное кольцо) подшипника качения закрепляется в патроне станка подключенного к «минусу» источника постоянного тока, которой придается вращение
Рис. 1. Внешний вид: а) подшипник 2007118А б) ступица с тормозным барабаном; в) фланец с тормозными колодками
Таблица 1 Технические параметры подшипника
Наименование 2007118А
Тип подшипника Радиально-упорный роликовый конический
Класс точности 6
Число роликов 26
Монтажная высота 32 мм
Внутренний диаметр 90 мм
Наружный диаметр 140 мм
Масса 1,67 кг
Смазка подшипника пластичная
Производитель 8Р2-СКОиР 9 ГПЗ
относительно анода, установленного в приспособлении, подключенного к «плюсу» и обеспечивающего необходимое усилие прижатия. Во время упрочнения в зону обработки подается рабочая жидкость 40 % раствор На28Ю3 в воде [6].
Испытывались серийные конические подшипники качения 2007118А в количестве 4 штук группа П1 и партия подшипников с упрочненными дорожками качения меднографитным материалом ЭХМО в количестве 4 штук группа П2.
Вибродиагностирование групп подшипников проводили по методике [7, 8] на стенде вибрационного контроля подшипников качения СВК-А [9]. Шероховатость дорожек качения подшипников определялась по методике [10, 11] профилометром портативным БВ-7646. Микротвердость определялась на шлифах по методике [12] с использованием микротвердомера ПМТ-3.
Оценка ресурса и свойств подшипников проводилась следующими диагностическими методами:
— анализа спектра огибающей сигнала виброускорения и анализа коэффициента «эксцесса»;
— измерение микротвердости;
— измерение шероховатости;
— измерение размеров подшипников.
При проведении эксперимента контролировались следующие параметры: нагрузка, вибрация, частота вращения, микротвердость, шероховатость.
Перед проведением испытаний подшипники были отмыты и обезжирены, проведено измерение радиального и осевого зазора каждого подшипника, а также размеры и непостоянства внутреннего
и наружного диаметра подшипника в соответствии с требованиями [11, 13, 14].
Эксперимент проводился в два этапа. На первом этапе проводилась обработка и приработка подшипников группы П2 методом ЭХМО. На втором этапе выполнена эксплуатационная наработка групп П1 и П2. На обоих этапах проводился сравнительный анализ результатов виброхарактеристик, микротвердости и шероховатости.
Первый этап. Перед упрочнением дорожек качения подшипников группы П2 были обезжирены бензином «Калоша» ГОСТ 443-76 и техническим этиловым спиртом ГОСТ 17299-78. Технологические параметры процесса электрохимикомеханического упрочнения: усилие прижатия анода к обрабатываемой поверхности (дорожке качения) 20 — 40 МПа, в качестве рабочей жидкости использовался 40 % раствор На28Ю3 в воде, линейная скорость обрабатываемой поверхности 0,1 — 0,4 м/с, плотность тока, проходящего по цепи анод — деталь 1 — 1,5 А/мм2, поступательное перемещение вдоль обрабатываемой поверхности 0,5 — 2,5 мм/об., время обработки составило: 40 с — кольцо внутреннее, 50 с — кольцо наружное [6].
Приработка группы П2 осуществлялась на стенде в течение часа по схеме, изображенной на рис. 2, при следующих технологических параметрах: материал анода — цинк; рабочая жидкость — ПГВ, частота вращения — 250 об./мин, ток в цепи — 40—150 тА, 1;иож — 40 — 60 оС, радиальная нагрузка — 100 Н, осевая нагрузка — 10 Н [6].
После выполнения приработки подшипников проведено вибродиагностирование подшипников. На рис. 3 представлены спектры сигналов виброускорения групп П1 и П2 подшипников.
Проведение оценки состояния подшипников групп П1 и П2 методом анализа огибающей спектра сигнала виброускорения показало состояние элементов подшипников групп П1 и П2 остаточного ресурса на уровне 99—100 %, учитывая, что границы тревожного порога установлены на 70 %, а недопустимого — 60 %.
Оценка состояния элементов подшипников по спектрам на рис. 3 показывает, что характеристики группы П2 на 6 — 8 дБ лучше группы П1.
Заключение о состоянии подшипников: группа П1 — хорошее, группа П2 — хорошее.
Для сравнения характеристик микротвердости упрочненного подшипника и серийного подшипника проведены измерения на шлифах, приготовленных
о
оэ >
б
а
в
Рис. 2. Схема приработки методом ЭХМО: 1 — подшипник качения; 2 — рабочая жидкость; 3 — анод; 4 — источник тока
Рис. 3. Спектры сигналов виброускорения подшипников: серийный П1 — верхний спектр частот, обработанный П2 — нижний спектр частот
на одном из подшипников каждой группы П1 и П2, с использованием микротвердомера ПМТ-3 по среднему значению ее величины; количество уколов >15. Результаты измерений микротвердости и шероховатости дорожек качения групп П1 и П2 на первом этапе представлены в табл. 2.
Второй этап. Эксплуатационные испытания проводились на автомобиле КамАЭ-4310. Подшипники групп П1 и П2 были установлены в ступицы автомобиля, смазаны пластичной смазкой ЛИТОЛ-24 согласно техническому описанию и инструкции по эксплуатации. Автомобиль эксплуатировался как на шоссе, так и в сложных дорожных условиях. По достижению наработки 24240 км пробега подшипники качения были демонтированы из ступиц автомобиля.
Исследования подшипников на стенде вибродиагностики проводились по методике, используемой на первом этапе. Результаты исследования представлены на рис. 4, 5 и в табл. 3, 4.
В результате проведения второго этапа исследования после наработки подшипниками групп П1 и П2 ресурса 24240 км установлено, что огибающая виброускорения группы П2 (нижний спектр частот) на 10—12 дБ лучше по сравнению со спектром подшипников группы П1 (верхний спектр частот).
К тому же в ходе проведения вибродиагностики у одного из подшипников группы П1 было выявлено
возникновение дефекта. На спектре виден ряд гармонических составляющих. Из этого ряда 1-я гармоника совпадает с расчетной частотой диагностического признака раковины наружного кольца. Глубина модуляции спектра огибающей указывает на слабо развитый дефект, который представлен на рис. 5.
В табл. 3 представлены результаты остаточного ресурса деталей подшипников групп П1 и П2, которые определены методом анализа спектра огибающей сигнала виброускорения.
Заключение вибродиагностирования о состоянии групп подшипников следующее: группа П1 — удовлетворительное, группа П2 — хорошее.
Среднее значение микротвердости и шероховатости дорожек качения подшипников групп П1 и П2 после эксплуатационных испытаний представлено в табл. 4.
Выводы.
1. На основе приведенных результатов установлено увеличение микротвердости дорожек качения на 10— 15 %, улучшение шероховатости в 1,5 — 2 раза обработанных образцов.
2. Анализ спектра огибающей сигнала виброускорения подтверждает улучшение характеристик упрочненных подшипников по сравнению с серийными, на первом этапе на 6 — 8 дБ и на втором — на 10-12 дБ.
Таблица 2
Средние значения микротвердости и шероховатости на I этапе
№ п/п Группа П1 Группа П2
микротвердость (МПа) микротвердость (МПа)
наружное кольцо внутреннее кольцо наружное кольцо внутреннее кольцо
1 11674 11785 14204 14224
2 11742 11590 14217 14120
3 11803 11682 14109 13991
4 11658 11345 14196 14236
5 11685 11783 14209 14102
6 11632 11587 13923 14208
7 11741 11753 14226 14675
8 11573 11862 14178 14864
9 11468 11673 14267 14762
10 11634 11382 13981 14591
11 11725 11768 14184 14364
12 11362 11842 14175 14056
13 11649 11796 14094 14187
14 11476 11643 14206 14376
15 11684 11857 14056 14264
И шероховатость (мкм) Иа шероховатость (мкм)
0,09 0,081 0,061 0,054
Рис. 4. Спектры огибающей сигнала виброускорения: серийный П1 — верхний спектр частот, обработанный П2 — нижний спектр частот
Спмтр огибдлщЁн (4000)
120
100
80
ад
а
1
о
оэ >
Рис. 5. Спектр огибающей дефектного подшипника группы П1
Таблица 3
Остаточный ресурс деталей подшипников
Деталь подшипника качения Состояние группы П1 (остаточный ресурс), % Состояние группы П2 (остаточный ресурс), %
Внутреннее кольцо 75 97
Внешнее кольцо 71 95
Тела качения 76 98
Сепаратор 97 99
Таблица 4
Средние значения микротвердости и шероховатости на II этапе
№ п/п Группа П1 Группа П2
микротвердость (МПа) микротвердость (МПа)
наружное кольцо внутреннее кольцо наружное кольцо внутреннее кольцо
1 11206 11194 14091 14126
2 11214 11203 14087 14027
3 11076 11116 14191 14023
4 11191 11185 14082 14142
5 11168 11200 14070 14137
6 11302 11196 14063 14125
7 10821 11036 13961 13978
8 11281 10965 14187 14171
Raшероховатость (мкм) Raшероховатость (мкм)
1 0,2 0,17 0,095 0,083
3. Электрохимикомеханическое упрочнение дорожек качения серийного подшипника позволяет увеличить ресурс на 20 — 25 %.
Библиографический список
1. Сверхточные подшипники NSK: справ. Global NSK, 2009. 243 с.
2. Подшипники качения: справ. © Schaeffler KG, 2009. 811 с.
3. Генеральный каталог. 3-е изд. М.: ЕПК, 2011. 448 с.
4. Череменский О. Н., Федотов Н. Н. Подшипники качения: Справочник-каталог. М.: Машиностроение, 2003. 576 с. ISBN 5-217-03180-8.
5. Макарчук В. В., Мурашкин В. В. Стратегия развития производства подшипников качения для авиационной техники // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. № 4 (3). Т. 13. С. 805-810.
6. Макаренко Н. Г. Электрохимическое упрочнение и восстановление деталей трибосистем. Омск: ИЦ «Омский научный вестник», 2004. 248 с. ISBN 5-8149-0201-9.
7. МВИ ВНИПП.002-04 Подшипники качения. Вибрация. Методика выполнения измерений. URL: http://vnipp.ru/doku-menty/?parent = 15 (дата обращения: 11.12.2016).
8. РД ВНИПП.038-08. Подшипники качения. Нормы вибрации. URL: http://vnipp.ru/dokumenty/?parent = 15 (дата обращения: 11.12.2016).
9. ООО НПП «ТИК»: Стенд вибрационного контроля подшипников СВК-А. URL: http://tik.perm.ru/products (дата обращения: 11.12.2016).
10. ГОСТ 2789-83. Шероховатость поверхности. Введ. 197501-01. М.: Изд-во стандартов, 1975. 35 с.
11. ГОСТ 520-2011. Подшипники качения. Общие технические условия. Введ. 2012-07-01. М.: Стандартинформ, 2012. 122 с.
12. ГОСТ 9450-76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. Введ.1977-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1977. 35 с.
13. ГОСТ 24810-81. Подшипники качения. Зазоры. Введ. 1981-07-01. М.: Изд-во стандартов, 1981. 24 с.
14. ГОСТ 27365-87. Подшипники роликовые конические однорядные повышенной грузоподъемности. Введ.1988-07-01. М.: Изд-во стандартов, 1988. 24 с.
ШАРГАЁВ Алексей Александрович, адъюнкт кафедры эксплуатации (бронетанковой и автомобильной техники).
МАКАРЕНКО Николай Григорьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры эксплуатации (бронетанковой и автомобильной техники).
Адрес для переписки: al.shargaev@mail.ru
Статья поступила в редакцию 12.12.2016 г. ©А. А. Шаргаёв, Н. Г. Макаренко
