CC BY
18
© H.H. Малушин, Д.В. Валуев, 2012
УДК 621.891+620.178.3(03) Н.Н. Малушин, Д.В. Валуев
ИСПЫТАНИЯ ДЕТАЛЕЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И КОНТАКТНУЮ ПРОЧНОСТЬ ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Приведены результаты ускоренных испытаний деталей машин и механизмов металлургического оборудования типа тел вращения на износостойкость и контактную прочность на разработанной установке, показавшие перспективность применения для изготовления деталей горно-шахтного оборудования. Результаты лабораторных исследований нашли свое подтверждение при испытаниях опытно- промышленной партии прокатных валков в заводских реальных условиях и могут быть рекомендованы для использования при отработке режимов и технологии наплавки и термообработки.
Ключевые слова: горно-шахтное оборудование, роликовые машины, сталь, контактная прочность, производительность.
Определяющими факторами повышения качества продукции и производительности прокатных станов является надежность и долговечность прокатных валков. Основными причинами преждевременного выхода из строя валков считаются отслоения и сколы рабочей поверхности валков [1-3].
В связи с длительностью испытаний валков холодной прокатки в производственных условиях и большими затратами на изготовление опытных экспериментальных партий возникает вопрос об ускоренных испытаниях валков холодной прокатки на лабораторных установках, позволяющих оценить долговечность деталей горно-шахтного оборудования. Известные машины для испытания на износ и контактную прочность подразделяется на роликовые и шариковые (ролик по ролику или шар о шар), а также на машины, в которых плоская поверхность подвергается контактному нагружению при
обкатке шарами [4,5]. Валки прокатных станов имеют цилиндрическую форму, поэтому более целесообразно использование роликовых испытательных машин, которые отличаются довольно простой конструкцией, сравнительно небольшими габаритами, высокой производительностью и подобной деталям формой исследуемых образцов. Наиболее широкое применение нашли отечественные роликовые машины типов МИ-1М, СМЦ-2, МИЛ, МКВК, МКУ.
Однако, роликовые машины обладают рядом недостатков, основными из которых являются:
- невозможность проведения испытаний цилиндрических образцов диаметром более 60 мм под нагрузками в широком диапазоне и с плавными регулировками нагрузки, удельного давления, скорости и величины проскальзывания, при сохранении постоянной ширины контактирующих дорожек;
- проведение испытаний только в масле, что в недостаточной степени имитируют условия контакта испытуемых поверхностей и работы прокатных валков.
Таким образом, в настоящее время отсутствуют промышленные серийные установки для испытания образцов на контактную прочность и износостойкость, моделирующие условия работы валков и дающие возможность оценки перспективности и срока службы наплавленных валков, что выдвигает необходимость конструирования такой машины.
В связи с выше изложенным, была создана лабораторная установка для испытания цилиндрических образцов на износостойкость и контактную прочность, а также разработана методика их испытаний в условиях, максимально имитирующих процесс эксплуатации валков станов холодной прокатки, изготовленных с применением традиционной технологии в термически обработанном состоянии и с наплавкой поверхностных слоев.
Сконструированная испытательная машина предназначена для исследования роликовых образцов диаметром 90-110 мм на сопротивление истиранию и контактному разрушению и может применяться для определения контактной прочности, трения и износа цилиндрических деталей, работающих в машиностроительных и металлургических отраслях, например, валков и роликов прокатных станов после их термической обработки или наплавки поверхностного слоя. Устройство установки дает возможность осуществить ускоренное испытание деталей на контактную прочность, износостойкость и определить влияние отдель-
ных параметров на стойкость деталей, что существенно сокращает или полностью устраняет затраты на изготовление опытных партий деталей для длительных производственных испытаний.
Схема разработанной роликовой испытательной машины приведена на рис. 1.
Испытательная машина состоит из горизонтальной сварной рамы 17, закрепленной с бетонным фундаментом анкерными болтами, на концах которой приварены две тумбы для установки реверсивных электродвигателей. В середине рамы крепятся на болтах две вертикальные П-образные колонны, жестко сваренные между собой. В колоннах, как в направляющих, установлены друг над другом две обоймы (позиции 6, 14). В обоймах на подшипниках качения установлены рабочие валы роликов 8,15, а в центре колонны в подушках 5 и 13 находится вал среднего ролика 16. Верхняя обойма 6 и подушки 5 и 13 могут перемещаться в плоскости валов роликов перпендикулярно их осям, нижняя обойма является неподвижной. На обойму 6 действует нажимное устройство 7, создавая нагрузку на образцы (до 3000 МПа). Валы роликов 8 и 16 при помощи шарнирных муфт 2, 4,
9 и 11 и промежуточных валов 3 и
10 с раздвижными муфтами соединены с электрическими приводами 1 и 12, которые смонтированы на раме 17 таким образом, что они могут подключаться к любому из трех роликов. Приводы подсоединенных роликов 8 и 16 индивидуальны и не зависимы друг от друга.
Благодаря наличию двух приводов с плавным регулированием скорости вращения, которые могут подклю-
Рис. 1. Принципиальная схема роликовой испытательной машины
чаться к любому из трех роликов в данной испытательной машине, при необходимости могут осуществляться следующие условия: проскальзывание в контакте, фрикционное качение, а также принудительное постоянное и переменное скольжение. Кроме того, по числу контактов испытуемого ролика в предложенной машине возможно получение одно - и двухконтактных испытаний.
При осуществлении фрикционного качения один из роликов является ведущим, а остальные, находясь в контакте с ведущим роликом, вращаются силами трения. При одноконтактных испытаниях, как правило, ведомыми являются нажимные ролики, а в двухконтактных - нажимные и опорные ролики могут быть как ведущими, так и ведомыми. Если в двухконтактных ис-
пытаниях ведущим служит нажимной ролик, то испытуемый ролик является ведомым относительно нажимного и ведущим относительно опорного ролика. Для предотвращения местного проскальзывания машину запускают без нагрузки с постепенным ее на-гружением. При установившемся движении скольжение между роликами незначительно.
При использовании предложенной машины возможны следующие варианты проведения испытаний:
Одновременное независимое или сравнительное исследование двух крайних образцов 8 и 15 с одинаковым числом циклов нагру-жения, но с различной величиной проскальзывания.
Испытание двух верхних роликов 8 и 16 с разным числом циклов на-гружения, но с одной величиной проскальзывания.
При проведении испытаний двух роликов 15 и 16 с разным числом циклов нагружения и с различной величиной проскальзывания.
При проведении испытаний без скольжения.
При необходимости воспроизведения схемы нагружения, имеющей место в известных трехконтактных роликовых испытательных машинах, когда испытуемый ролик является средним и неподвижным, электродвигатель 1 вместе с промежуточным валом 3 и шарнирными муфтами 2 и 4 опускаются ниже на раму 17 и смещается с осью нижнего нажимного
ролика 15, двигатели 1 и 12 обеспечивают валам нажимных роликов 8 и 15 одинаковую скорость вращения.
Испытуемые и прижимные ролики имеют внешний диаметр в пределах 90—110 мм и ширину 10 и 35 мм. Испытуемый ролик (обычно меньшего сечения (10 мм)), обкатываются по толстому (35 мм) с одной стороны. Лля испытания следующего ролика берется новая «дорожка» с другого края нажимного ролика размером 35 мм. Такая же очередность принимается и в случае исследования долговечности толстых роликов, таким образом, они работают поочередно, то одним, то другим краем в паре с тонким образцом, а также могут испыты-ваться в паре с роликом тех же размеров. В колонне рамы машины предусмотрено смотровое окно, через которое в свете направленного прожектора через увеличительное стекло можно наблюдать и характеризовать состояние контактирующих поверхностей в процессе испытания. Лля плавного регулирования частоты вращения рабочих органов машины от 0 до 3000 об/мин применены специальные электроприводы.
Увеличение диаметра испытуемых роликов до часто встречающегося размера цилиндрических деталей и индивидуальный регулируемый в широком диапазоне скоростей и нагрузок привод двух роликов, позволяющий проводить исследование образцов по заданным схемам испытаний в любом необходимом графике изменения удельного давления и величины скольжения, уменьшает трудоемкие пересчеты при переносе результатов лабораторных исследований на готовые детали, устраняет переналадку машины и изготовление специальных
образцов при переходе к различным величинам проскальзывания, позволяет повысить точность испытаний и сокращает их длительность, а так же приближает испытания к реальным условиям эксплуатации прокатных валков, расширяют область и функциональные возможности роликовой машины, делает ее универсальной для испытания цилиндрических образцов на контактную прочность.
Эффективность работоспособности образцов при ускоренных испытаниях на лабораторной установке оценивается по величине износа, которая определяется по потере массы (АР) и изменению геометрических размеров образцов (диаметра) в процессе работы (А<<).
При исследовании работоспособности установки на износ и контактную усталость использовались серийные рабочие валки холодной прокатки диаметром 100 мм, изготовленные по традиционной технологии из стали типа 9Х. Образцы для исследований изготавливались вырезкой из прокатных валков дисков перпендикулярно их продольной оси. Образцы с наплавленным на рабочую поверхность слоем изготавливались идентично образцам из стали 9Х из валков, изготовленных с применением плазменной наплавки. Заготовки под наплавку изготавливали из проката стали 30ХГСА круглого сечения диаметром 80 мм. Лля наплавки использовали порошковую проволоку, обеспечивающую получение наплавленного металла типа теплостойких сталей высокой твердости. Толщина наплавленного слоя составляла 5-10 мм.
На лабораторной установке испы-тывались три варианта дисков, выре-
занных из рабочих валков. В качестве эталона по варианту 1 использовали образцы из стали 9Х после закалки с низким отпуском. Они имели твердость 60-62 ИКС с глубиной активного слоя 4-5 мм. Твердость наплавленного рабочего слоя варьировалась от 60 до 65 ИКС (образцы с твердостью 60-62 ИКС - вариант 2, с твердостью 64-65 ИКС - вари-ант3). Скорость вращения испытуемых образцов составляла 1000 об/мин, а нагрузка в зоне контакта 1000 МПа, что соответствовала режимам прокатки в реальных производственных условиях. В процессе испытаний по данным замеров образцы разогревались до температуры 80-90оС. На рис. 2 приведены результаты испытаний образцов из стали 9Х и образцов, с наплавленными по разным режимам слоями. Продолжительность испытаний находилась в пределах 50-100 часов.
Если рассматривать зависимость потери в весе (АР) от времени испытаний и числа циклов нагружения, то можно отметить, что образцы с наплавленным слоем, имеющим разную твердость и толщину наплавленного слоя изнашиваются по разному, хотя и описываются линейной зависимостью у = а + Ь х. При твердости порядка ИКС 60-62 наплавленные диски с толщиной слоя 4-5 мм (вариант 2) уступает закаленным. Как видно из данных, представленных на рис. 2, их стойкость до разрушения составляет ~25 105 циклов нагружения против 45 105 циклов у образцов, изготовленных из стали 9Х. На этих же образцах после травления 4 % водным раствором ИЫ03 наблюдается единичные поры, распо-
ложенные как в наплавленном слое, так и на границе сплавления с основным металлом, а в кратерах выкрашивающихся мест при рассмотрении под лупой наблюдаются сколы, характерные для усталостного развития дефекта.
При изменении технологии наплавки, улучшив качество и глубину наплавленного слоя, удалось значительно повысить стойкость наплавленных дисков. Наилучшие результаты были получены на образцах при твердости ИКС 64-65 и глубине наплавленного слоя порядка 9-10 мм (вариант 3) и описываются линейной зависимостью у = -1 + 0,4х. Стойкость наплавленных по скорректированной технологии дисков примерно в 1.5-2.0 раза выше стойкости закаленных дисков и достигает 70 105 циклов.
Таким образом, на основании проведенных лабораторных исследований на разработанной установке для ускоренных испытания деталей тел вращения на износостойкость и контактную прочность для упрочнения прокатных валков можно рекомендовать наплавленный металл с твердостью ИКС 64-65 и
Рис. 2. Износ образцов, вырезанных из прокатных валков
глубиной наплавленного слоя порядка 9-10 мм при отсутствии в нем каких либо дефектов.
Результаты лабораторных исследований нашли подтверждение при промышленных испытаниях рабочих валков холодной прокатки, изготовленных с применением плазменной наплавки активного слоя теплостойкими сталями высокой твердости [6]. При этом стойкость всей партии наплавленных валков оказалась в 1.52.0 раза выше по сравнению с серийными валками. Наплавленные валки находились в эксплуатации больше года, что естественно сдерживало проведение корректировки технологии их изготовления.
1. Полухин В.П. Надежность и долговечность валков холодной прокатки/В.П. Полухин, В.А.Николаев, П.Т.Шульман. — М.: Металлургия, 1971. — 503 с.
2. Боровик П.И. Эксплуатация валков станов холодной прокатки/Л.И. Боровик. — М.: Металлургия, 1968. — 233 с.
3. Бойков В.В. О долговечности и надежности рабочих валков непрерывных листовых станов холодной прокатки/В.В. Бойков, Н.С. Зубков, Н.С. Шкредова, Н.Н. Ма-лушин, Л.Н.Рудакова//Изв. вузов. Черная металлургия. — 1979. — №12. — С.107-109
Выводы
Ускоренные испытания деталей машин и механизмов горно-металлургического комплекса типа тел вращения на износостойкость и контактную прочность на разработанной установке, показавшие перспективность применения для изготовления прокатных валков наплавленного металла по варианту 3, нашли свое подтверждение при испытаниях опытно-промышленной партии прокатных валков в заводских реальных условиях и могут быть рекомендованы для использования при отработке режимов и технологии наплавки деталей горно-шахтного оборудования.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Школьник П.М. Методика усталостных испытаниий: справочник/Л.М. Школьник. — М.: Металлургия, 1978. — 302 с.
5. Ясь Д.С. Испытание на трение и износ. Методы и оборудование/Д.С. Ясь, В.Б. Подмоков, Н.С. Дяденко. — Киев: Техника, 1971. — 138 с.
6. Малушин H.H. Повышение качества и долговечности рабочих валков станов холодной прокатки плазменной наплавкой теплостойкими сталями. - Материалы 13-й Международной научно- практической конференции. В 2 ч. — Ч.1. — СПб.: Изд-во политехн. ун-та, 2011. — 482 с. — С. 203—209. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Малушин Николай Николаевич — кандидат технических наук, доцент, Сибирский государственный индустриальный университет. kafmtsp@sibsiu.ru,
Валуев Денис Викторович — кандидат технических наук, доцент, Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета. valuev@tpu.ru.
Д.___
