CC BY
45
УДК 69.002.5
Ю.И. Густов, И.В. Воронина, А.А. Орехов
ФГБОУВПО «МГСУ»
ЭНЕРГОРЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ МЕТОДОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
Показана энергоресурсоэффективность триботехнических методов применительно к рабочим органам и сопряжениям строительных машин и оборудования в различных условиях температурно-силового нагружения. Актуальность проблемы заключается в необходимости повышения ресурса интенсивно изнашивающихся рабочих органов и подвижных сопряжений, увеличения за счет этого производительности техники, снижения материальных и энергетических затрат на ее техническое обслуживание и ремонт. Решение проблемы видится на основе трибологических достижений.
К эффективным трибологическим методам относятся наплавка и напыление износостойких материалов на изнашивающиеся поверхности, индукционная пайка армирующих твердых сплавов, собственно термическая, химико-термическая обработка и др. Наиболее эффективным представляется комплексный конструкционно-технологический метод.
Ресурсоэффективность трибологических методов связана с их энергоэффективностью на стадиях изготовления и эксплуатации. Повышение ресурса изделий не должно вызывать увеличения энергозатрат. Последние оцениваются коэффициентом полезного действия (КПД) трибосистем. Его определение представляет собой важную научно-прикладную задачу.
Для экспериментально-расчетного определения КПД трущихся элементов предложен деформационно-топографический метод. Он позволяет рассмотреть ряд моделей трения и изнашивания.
Ключевые слова: энергия, ресурс, эффективность, триботехника, коэффициент полезного действия, коэффициент трения, наплавка.
Специфической особенностью эксплуатации строительных машин и механического оборудования является интенсивное изнашивание рабочих органов машин и подвижных соединений. Вследствие этого их ресурс оказывается невысоким, и производственная эффективность техники заметно снижена. Наиболее остро это проявляется в случае абразивного изнашивания рабочих органов и оборудования при разработке грунтов различных прочностных категорий и технологических абразивных масс.
Решение данной актуальной проблемы повышения ресурса машин и оборудования видится на основе трибологических достижений и, в частности, триботехники.
К эффективным триботехническим методам можно отнести наплавку и напыление износостойких материалов на изнашивающиеся поверхности, индукционную пайку армирующих твердых сплавов, собственно термическую, химико-термическую обработку и др. Наиболее результативным для повышения ресурса представляется комплексный метод, сочетающий эти технологии с оптимизацией конструкции исполнительных органов и сопряжений трудящихся элементов.
Ресурсоэффективность триботехнических методов связана с их энергоэффективностью как на стадии изготовления рабочих органов и сопряжений, так и в процессе эксплуатации. Повышение ресурса изделий не должно вызывать увеличения энергозатрат. Последние оцениваются коэффициентом полезного действия (КПД) трибосистем, определение которого представляет собой важную триболо-гическую задачу.
Для экспериментально-расчетного определения КПД трущихся элементов предложен деформационно-топографический метод [1], позволяющий рассмотреть ряд моделей трения и изнашивания. В частности, гипсоцентроидная модель изнашива-
© Густов Ю.И., Воронина И.В., Орехов А.А., 2012
169
ВЕСТНИК
8/2012
ния (рис.) дает возможность воспроизвести «клиновой привод» согласно [2] и рекомендовать формулу для расчета КПД вида
= (5 + 2ср), (1)
где ф — угол трения; 5 — угол клина.
0,5
0,5 - —
0,5
Гипсоцентроидная модель изнашивания
Удовлетворительное совпадение значений КПД получено при расчете по (1) и по формуле
Л = 1/ (1 + 2 I у), (2)
где I — полный коэффициент трения; у — относительный путь трения абразивной частицы при внедрении в поверхность детали.
Величина коэффициента трения по гипсоцентроидной модели изнашивания определяется по зависимости
I = (<а-т)/(ет -еа), (3)
в которой X ; е е — координаты центров тяжести плоских фигур Б и Б .
С целью повышения ресурсоэффективности строительной техники в МГСУ разработаны следующие конструкционно-технологические методы [1].
Применительно к дорожным фрезам и грунтосмесительным машинам разработана технология наплавки твердых сплавов с различными системами легирования и структурными классами. В этом случае применены покрытые электроды марок ВСН-6, ВСН-8, ЦН-16, КБХ-45, Т-620, Х-5 и др., а также порошковые ленты ПЛ-400Х38Г3РТЮ, ПЛ-400Х38ГТЮ и др. Разработана также наплавка релит-мельхиор и индукционная пайка сплавами ВК-15 (табл. 1).
Табл. 1. Технологии упрочнения ножей дорожных фрез
X
Материал Способ упрочнения Толщина слоя, мм Сила тока, А Род тока, полярность Твердость, те (ИЯЛ) Изно-состой-кость
Т-620 Ручная электроду- 6...7 250.270 Постоян- 54 0,95
КБХ-45 говая наплавка 6...7 200.220 ный, 57 1,21
Х-5 6.7 260.280 обратная 61 1,56
ВСН8/ВСН-6 3.4 150.170 53 0,93
И-1 5.6 160.170 36 0,44
Окончание табл. 1
Материал Способ упрочнения Толщина слоя, мм Сила тока, А Род тока, полярность Твердость, HRC (HRA) Изно-состой-кость
ЦН-16 Ручная ваннодуго-вая наплавка 15 260.280 То же 54 0,79
ПЛ-У40Х38 Г3РЮ Автоматическая электродуговая наплавка по слою порошка под флюсом АН-60 6...7 900.1050 То же 54 1,0
СКБ Э-1 Автоматическая электродуговая наплавка по слою порошка под флюсом АН-348А 6...7 800.900 Переменный 51 45 0,73 0,69
Релит-мельхиор Печная наплавка 6.7 — — 30 (92) 5,6
ВК-15 Индукционная пайка 5 7 10 100 Переменный (86) (86) (86) 13,3 15,3 17,9
С целью повышения ресурсоэффективности дробильного оборудования при дроблении высокопрочных гранитных и диоритных пород применена технология электродуговой наплавки дробящих плит щековых дробилок электродами ЭНУ-2, ЦН-16, Х-5, ВСН-9 и др.
Повышение ресурса экструзионных прессов при производстве асбестоцемент-ных панелей достигалось посредством наплавки шнеков электродами КБХ-45, Т-620, Х-5 и др. и напыления кернов формующей оснастки порошками ВСНГ, ВСНГН и др.
Для повышения износостойкости и ресурсоэффективности черпающего аппарата строительных драг применена наплавка ковшей оригинальными покрытыми электродами, а деталей шарнирного соединения — электродами ВСН-12, ОЗИ-1, Х-5 и др. (табл. 2).
Табл. 2. Триботехнические критерии наплавленных металлов деталей драг
Материал К т t D т f К а К мкм h/h0 а 0 h , a' мкм С МПа Wc, МП а мкм 8
ВСН-12 0,75 2,04 0,42 0,24 1,800 60 1,91 114,6 1,20 2911 1848 78 1,91
ОМГ-Н 0,47 2,0 0,555 0,22 1,575 50 2,14 107,0 1,31 1935 904 149 1,0
ВСН-6 0,62 2,33 0,594 0,21 1,863 70 1,98 138,6 1,36 2447 980 85 1,75
ОЗШ-1 0,56 2,09 0,584 0,21 1,500 100 2,31 231,0 1,41 2279 965 71 2,10
ОЗИ-1 0,73 2,39 0,598 0,24 1,438 75 2,60 195,0 1,44 3066 1263 52 2,87
НГ-2 0,65 2,12 0,486 0,28 1,511 70 2,30 161,0 1,31 2559 1474 66 2,26
Х-5 1,04 2,75 0,680 0,31 0,574 25 2,25 56,25 1,55 1600 2827 21 7,10
ВЕСТНИК
8/2012
В табл. 2 представленные триботехнические критерии имеют следующий физический смысл: Кт = Нм/На6р — относительная твердость металла и абразива [3]; t = 1пеа/ 1п(еа/е— показатель фрикционной усталости металла [4]; Бт — парциальный микрометалл (доля выступов в пределах шероховатого слоя поверхности трения); парциальный микроизнос Ва = 1 - Вт [5]; Кв = Н3/Н0 — показатель трибо-деформационного упрочнения металла (отношение поверхностной Н8 и исходной Н0 микротвердости) [5]; Ка = На\Нй — отношение предельной На и исходной Н0 микротвердости [5]; ha/h0 — отношение толщин деструкции (износа) и упрочнения металла [6]; С = К+ 0,5 (1 - tpp )/Оа [7]; £к — истинное сопротивление разрыву [8]; Wc — предельная удельная энергия деформации [9,1 0]; Jh — линейный износ; е — относительная износостойкость металлов.
Для опорно-ходовых катков мощных бульдозерно-рыхлительных агрегатов Д9-Н северного исполнения рекомендуется применять упрочняющую наплавку порошковой проволокой ПП-АН120 под смесью флюсов АН-348А и АНК-18 в объемном соотношении 2:1. Применение этой технологии приводит к повышению износостойкости катков на 38.40 %.
Для повышения долговечности зубьев ковшей экскаваторов, эксплуатируемых в северных районах, разработана профилактическая наплавка электродами ЭНУ-2, ВСН-6 и ОМГ-Н. В технологии предусмотрены периодические наплавочные работы в процессе эксплуатации экскаватора без демонтажа рабочего органа. При разработке скальных пород при температуре от -35 до -45 °С износостойкость зубьев, наплавленных электродами ЭНУ-2, ВСН-6 и ОМГ-Н, превосходит износостойкость зубьев из стали 110Г13Л соответственно на 33,30 и 18 %.
Для повышения ресурса зубьев ковшей экскаваторов, предназначенных для разработки грунтов 3—4 категорий в условиях жаркого климата, применили восстановительно-профилактическую наплавку покрытыми электродами (табл. 3).
Табл. 3. Износостойкость е зубьев ковшей экскаваторов
Материал Твердость, ШС(ИБ) Износ по длине ДЬ, мм Скорость изнашивания V, мм/ч Относительная износостойкость е
Сталь:
40Х 36.38 28,8 0,056 1
110Г13Л (205.208) 35 0,068 0,82
Наплавка:
ОЗН-7 54.56 20,3 0,039 1,44
ОЗН-6 60.63 5,2 0,01 5,6
0ЗН-400М 38.42 20 0,038 1,47
Для отвалов автогрейдеров, комбинированной машины на базе КАМАЗ, грузовой машины «Мерседес» и других рекомендуется индукционная пайка ножей твердыми сплавами ВК8В или ВК15КС. Ресурс таких ножей превосходит ресурс ножей из термообработанной стали 65Г (44-49 ИЯС) в 18.24 раза.
Анализ ресурсоэффективности разработанных триботехнических методов показывает, что применение восстановительно-профилактической и упрочняющей наплавки обеспечивает повышение ресурса изнашивающихся рабочих органов и элементов сопряжений в 2.6 раз. Наибольшей ресурсоэффективностью обладает армирование поверхностей трения твердыми металлокерамическими сплавами, повышающее ресурс режущих элементов землеройной техники в 13.24 раза.
Рассмотрение энергоэффективности трибомеханических методов показывает, что с ростом износостойкости и ресурса деталей КПД пар трения снижается и в условиях абразивного изнашивания, например, шарниров драг находится на уровне
26.46 %. Меньшие значения характерны для наплавки Х-5, большие — для наплавки ОЗН-6 (см. табл. 2)
С учетом полученных результатов энергоэффективности триботехнических методов можно заключить, что выбор рациональных вариантов трибосистем необходимо осуществлять по наибольшему значению комплексного критерия
Кэр = еп, (4)
где е, п — износостойкость и КПД элемента относительно принятого эталона.
Библиографический список
1. Густов Ю.И. Триботехника строительных машин и оборудования : монография. М. : МГСУ, 2011. 197 с.
2. ЧихосХ. Системный анализ в трибонике. М. : МИР, 1982. 351 с.
3. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М. : Машиностроение, 1977. 526 с.
4. Густов Ю.И., Воронина И.В. Повышение долговечности средств механизации строительства // Вестник МГСУ 2011. № 2. С. 305—308.
5. Густов Ю.И., Воронина И.В., Орехов А.А. Методология исследования трибомеханиче-ских показателей строительной техники // Механизация строительства. 2011. № 8. С. 10—12.
6. Густов Ю.И., Воронина И.В., Любушкин К.А. Метод оценки деформационно-деструктивных показателей деталей строительной техники // Вестник МГСУ 2010. № 4. С. 278—281.
7. Густов Ю.И. Воронина И.В. Энерготопографический метод исследования износостойкости рабочих органов и сопряжений строительной техники // Вестник МГСУ 2010. № 2. С. 273—277.
8. Густов Ю.И., Воронина И.В., Орехов А.А. Определение напряжений деструкции металлов на основе синергетики пластической деформации // Вестник МГСУ 2011. № 8. С. 172—175.
9. Синергетика и фракталы в материаловедении / В.С. Иванова, А.С. Баланкин, И.Ж. Бунин и др. М. : Наука, 1994. 383 с.
10. Скуднов В.А. Предельные пластические деформации металлов. М. : Металлургия, 1989. 176 с.
Поступила в редакцию в июне 2012 г.
Об авторах: Густов Юрий Иванович — доктор технических наук, профессор кафедры механического оборудования, деталей машин и технологии металлов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-94-95, tm@mgsu.ru;
Воронина Ирина Владимировна — старший преподаватель кафедры механического оборудования, деталей машин и технологии металлов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 182-16-87; ifo-fin@mgsu.ru;
Орехов Алексей Александрович — аспирант кафедры механического оборудования, деталей машин и технологии металлов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-94-95, tm@mgsu.ru.
Для цитирования:ГустовЮ.И.,ВоронинаИ.В., ОреховА.А. Энергоресурсоэффективность триботехнических методов строительных машин и оборудования // Вестник МГСУ. 2012. № 8. С. 169—174.
Yu.I. Gustov, I.V. Voronina, A.A. Orekhov
ENERGY AND RESOURCE EFFICIENCY OF TRIBOLOGICAL ENGINEERING METHODS APPLIED TO CONSTRUCTION MACHINERY AND EQUIPMENT
The subject matter of the article is the energy and resource efficiency of tribological engineering methods applied to working sections and interfaces of construction machines and equipment exposed to varied temperature and loading conditions. The relevance of the problem is based on the need to increase the durability of working sections exposed to intensive wear and tear, to improve
вестник 812012
the productivity and to reduce the material and power expenses associated with the maintenance and repair of the above items of machinery. The solution is based on tribology-related achievements.
Effective tribological methods include surface cladding and spraying of wear-resistant materials onto the wear surface, induction brazing of reinforcing hard alloys, thermal and chemicothermal treatment, etc. The most effective is an integrated structural and surface-treatment method.
The resource efficiency of tribological methods is based on their energy efficiency at the stages of manufacturing and operation. Extension of the service life of products shouldn't increase the energy consumption rate. The latter is estimated with the help of the efficiency factor of tribological systems.
The authors propose a new deformation and topography-related method of identification of the efficiency factor of rubbing elements. It encompasses multiple friction and wear models.
Key words: energy, resource, efficiency, tribological engineering, efficiency, friction ratio, surfacing.
References
1. Gustov Yu.I. Tribotekhnika stroitel'nykh mashin i oborudovaniya [Tribological Engineering of Construction Machinery and Equipment]. Moscow, MGSU, 2011, 197 p.
2. Chikhos Kh. Sistemnyy analiz v tribonike [The System Analysis in Tribological Engineering]. Moscow, Mir Publ., 1982, 351 p.
3. Kragel'skiy I.V., Dobychin M.N., Kombalov V.S. Osnovy raschetovna trenie iiznos [Fundamentals of Friction and Wear Analysis]. Moscow, Mashinostroenie Publ. 1977, 526 p.
4. Gustov Yu.I., Voronina I.V. Povyshenie dolgovechnosti sredstv mekhanizatsii stroitel'stva [Increase of Durability of Construction Machinery]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 2, pp. 305—308.
5. Gustov Yu.I., Voronina I.V., Orekhov A.A. Metodologiya issledovaniya tribomekhanicheskikh po-kazateley stroitel'noy tekhniki [Methodology of Research of Tribological Engineering Performance Indicators of Construction Machinery]. Mekhanizatsiya stroitel'stva [Construction Machinery]. 2011, no. 8, pp. 10—12.
6. Gustov Yu.I., Voronina I.V., Lyubushkin K.A. Metod otsenki deformatsionno-destruktivnykh po-kazateley detaley stroitel'noy tekhniki [Method of Assessment of Deformation-destructive Indicators of Details of Construction Machinery]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, no. 4, pp. 278—281.
7. Gustov Yu.I. Voronina I.V. Energotopograficheskiy metod issledovaniya iznosostoykosti rabo-chikh organov i sopryazheniy stroitel'noy tekhniki [Method of Power-driven Topographic Examination of Wear Resistance of Operating Elements and Interfaces of Construction Machines]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, no. 2, pp. 273—277.
8. Gustov Yu.I., Voronina I.V., Orekhov A.A. Opredelenie napryazheniy destruktsii metallov na os-nove sinergetiki plasticheskoy deformatsii [Identification of Decomposition Strain of Metals through the employment of Synergetics of Plastic Deformation]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 8, pp. 172—175.
9. Ivanova V.S., Balankin A.S., Bunin I.Zh. Sinergetika i fraktaly v materialovedenii [Synergetics and Fractals in Material Science]. Moscow, Nauka Publ.,1994, 383 p.
10. Skudnov V.A. Predel'nye plasticheskie deformatsii metallov [Ultimate Plastic Deformations of Metals]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1989, 176 p.
About the authors: Gustov Yuriy Ivanovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Mechanical Equipment, Details of Construction Machines and Technology of Metals, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; tm@mgsu.ru; +7 (499)183-94-95.
Voronina Irina Vladimirovna — Senior Lecturer, Department of Mechanical Equipment, Details of Construction Machines and Technology of Metals, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ifo-fin@mgsu.ru; +7 (499) 182-16-87.
Orekhov Aleksey Aleksandrovich — postgraduate student, Mechanical Equipment, Details of Construction Machines and Technology of Metals, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU),
26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; tm@mgsu.ru; +7 (499) 183-94-95.
For citation: Gustov Yu.I., Voronina I.V., Orekhov A.A. Energoresursoeffektivnost' tribotekhnicheskikh metodov stroitel'nykh mashin i oborudovaniya [Energy and Resource Efficiency of Tribological Engineering Methods Applied to Construction Machinery and Equipment]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 8, pp. 169—174.
