CC BY
43
76_______________Вестник Алтайского государственного аграрного университета №1 2003 г.
A.B. Бодякин, П.В. Семенов1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ И РЕМОНТА ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ПОСРЕДСТВОМ МНОГОФАКТОРНОГО АКТИВНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксплуатация сельскохозяйственной техники невозможна без применения в ней подшипников скольжения несмотря на широкую номенклатуру подшипников качения по типам и размерам. В настоящее время в большинстве случаев для изготовления и ремонта подшипников скольжения используются дорогие и дефицитные цветные металлы и сплавы. Снизить стоимость и повысить доступность антифрикционных материалов можно применением новых материалов и технологий их производства. Технология электроконтактного напекания (ЭКН) металлических порошков [1] позволяет получать микропористые покрытия, обладающие свойствами саморегулирования подачи смазки, что повышает износостойкость этих деталей. Однако возможность изготовления и ремонта подшипников скольжения электроконтактным напека-нием ранее не исследовалась.
В ходе поисковых экспериментов с использованием разработанной порошковой композиции [2] была доказана эффективность ее применения и определено влияние факторов процесса на оценочные показатели микропористого антифрикционного покрытия [3]. Это позволило выявить значимые факторы и определить диапазоны их варьирования (табл.) для многофакторного эксперимента.
Принимая во внимание нелинейность зависимостей оценочных параметров, характеризующих качественные характеристики слоя, от факторов процесса, даже без учёта их совместного взаимодействия, целесообразно использовать для получения математической модели процесса полином второго порядка [5]:
п п п у
У = &о + 1>Л + £ Vх'*/+ .
/=1 ,=м /=I
Таблица
Факторы Удельная энергия напекания x.-io-1*, Дж/м4 Удельное давление Х2-106; Па Содержание антифрикционной составляющей Х8, °/ /О
Основной уровень (0) 1,77 17 5,05
Интервал варьирования 0,304 1,8 3
Верхний уровень (+1) 1,481 18,8 8,05
Нижний уровень (*1) 0,873 15,2 2,05
Звёздная точка (+1,682) 1,688 20 10,1
Звёздная точка (-1,682) 0,666 14 0
Научный руководитель В.И. Чижов
Наличие неконтролируемых факторов, а также отсутствие информации о значимости взаимодействий факторов обуславливает необходимость использования плана со свойствами композицион-ности и ротогабельности, каким является рототабельный центральный композиционный план (РЦКП).
Интервал варьирования фактора еН (X,) [5] выбран из условия достижения необходимой температуры спекания за рекомендуемое время спекания [6] и обеспечения достаточной прочности сцепления слоя с материалом основы (1.688Т012 Дж/м4<еН <0,666- Ю12 Дж/м4). Уменьшение удельной энергии ведёт к снижению прочности сцепления. Верхний её предел ограничен низкой микропористостью, малой толщиной напечённого слоя и подплавле-ниями вследствие превышения оптимальной температуры спекания.
Для фактора Р (Х2) интервал варьирования и уровни были выбраны исходя из априорной информации [7], а также на основе предварительных исследований процесса (14* 106 Па<Р<20 106 Па). В данном диапазоне процесс напекания протекает наиболее стабильно из-за попадания удельного электрического сопротивления в рекомендуемый [6] диапазон для ЭКН
этого параметра. Однако для напекания антифрикционной композиции важно было изучить влияние давления на толщину напечённого слоя, изменяющуюся предположительно вследствие изменения коэффициента трения (проскальзывание композиции).
На основании предварительных исследований установлено, что предельно допустимая концентрация фторида кальция (СаР2) как антифрикционной составляющей композиции составляет 10%, Дальнейшее его увеличение приводит к нарушению качественного спекания антифрикционной композиции. Для получения сравнительных характеристик покрытий, полученных напеканием порошковых композиций с антифрикционной добавкой и без неё, нижний уровень принят 0. Согласно сказанному диапазон изменения фактора К (ХЗ) задан в пределах (0%<К< 10%).
Результативность оптимизации процесса зависит от правильности выбора оценочных (выходных) параметров. В работах по изучению процесса ЭКН [1] параметрами оптимизации принимали наряду с износостойкостью микропористость, твёрдость и прочность сцепления. При этом считалось, что твёрдость и микропористость характеризуют износостойкость слоя, а прочность сцепления определяет стойкость покрытия. Однако нелинейность влияния твёрдости и микропористости на износостойкость, а также наличие в покрытии антифрикционной добавки в виде “твёрдой смазки” делают параметры оптимизации: твёрдость и микропористость - малорезультативными при исследовании антифрикционного покрытия. Поэтому целесообразней, на наш взгляд, в качестве оценочных параметров при оптимизации процесса ЭКН антифрикционной композиции использовать износостойкость и прочность сцепления, при этом учитывая, “...что оптимизация процессов трения и изнашивания возможна в том случае, если за основной принят один определённый параметр, а остальные служат ограничениями” [6],
износостойкость назначаем основным параметром оптимизации, а прочность сцепления будет выступать в качестве ограничительного.
Относительная износостойкость определялась путем микрометража образцов, истираемых по схеме диск-колодка на машине трения МИ-1М по шестичасовой программе (с замером через каждый час), и сравнения с эталоном (бронзой). Погрешность измерения износа диска и колодки составила 3,5% и 4,7% соответственно. Прочность сцепления слоя с основой на сдвиг определялась на оборудовании и по методике [7]. Погрешность измерения составила 5-8%.
Полученные экспериментальные данные обрабатывались на ЭВМ. Гипотеза об однородности дисперсии параллельных опытов проверялась по критерию Барт-лера, незначимые факторы исключались по критерию Стьюдента, адекватность полученных математических моделей проверялась по критерию Фишера. Уравнения регрессии относительной износостойкости (У И) и прочности сцепления слоя с основой (Ух) имеют вид:
Уи= 1,79+0,12-х 1 +0,13 *Х2+0,37*ХЗ-0,16-Х 1 'ХЗ-0,12*Х 1 'Х2-ХЗ+0,16-Х22; Ут=221,7+30,2-Х1+18-Х2-49,7-ХЗ+9,7-Х1*Х2-17*Х1-ХЗ- '
4,1-Х2-ХЗ-Ы2,6-Х22.
Предварительный анализ модели параметра относительной износостойкости показывает, что:
- наибольшее влияние на параметр выхода оказывает количественное содержание в композиции фторида кальция, что и подтверждает правильность выбора антифрикционной составляющей;
- относительная износостойкость будет увеличиваться с ростом всех трех факторов;
- взаимодействие факторов энергия напекания и содержание антифрикционной составляющей (Х1ХЗ), а также всех трех факторов (X1X2X3) отрицательно влияет на оценочный параметр;
- к увеличению относительной изно- Предварительный анализ модели состойкости ведет квадратичное взаимо- параметра прочности сцепления слоя с
действие удельного давления;
- экстремальное значение параметра
основой показывает; что:
- наибольшее влияние на прочность
выхода 2,72 следует ожидать в точке с ко- сцепления оказывают факторы коли-
ординатами: X1 =-1; Х2=+1; ХЗ=+1.
чественный состав антифрикционной составляющей и удельная энергия на-пекания. Причем влияние содержания
б)
Рис. Зависимость относительной износостойкости {
) и прочности сцепления
слоя с основой {_________) от факторов процесса: а - Х2 =+1; б - XI =+1.
А - зона рационального режима
в композиции антифрикционной составляющей больше, чем влияние удельной энергии спекания;
- влияние фактора удельное давление слабее других факторов, но соизмеримо с влиянием взаимодействий факторов удельная энергия напекания и содержание антифрикционной составляющей (Х1ХЗ) и удельное давление и содержание антифрикционной составляющей (Х2ХЗ);
- прочность сцепления слоя с основой будет увеличиваться с ростом удельной энергии напекания и удельного давления и уменьшением количественного содержания антифрикционной составляющей. Уменьшение оценочного параметра при увеличении фторида кальция объясняется, на наш взгляд, уменьшением удельной площади контактирования напеченного слоя (частиц железного порошка);
- взаимодействие факторов энергия напекания и содержание фторида кальция (Х1ХЗ) и удельное давление и содержание антифрикционной составляющей (Х2ХЗ) отрицательно влияет на рост оцениваемого параметра, а удельная энергия напекания и удельное давление (XIХ2)
- положительно;
- квадратичное взаимодействие удельного давления приводит к увеличению прочности сцепления.
Графическое решение компромиссной задачи выбора рационального влияния факторов на оценочные параметры представлено на рисунке. Стремление достижения большей износостойкости при ограничении прочности сцепления слоя с основой на уровне 210*106 Па позволило определить рациональные режимы напекания антифрикционной порошковой композиции. Они составили XI = +1; Х2
= +1;ХЗ = +1.
Таким образом, проведенные исследования, их обработка и анализ показывают, что композиция из фторида кальция - 7,5-8,5%; карбомидо-формальдегидная смола
- 9,5-10%; железный порошок - остальное и напеченное на режимах удельное дав-
ление- (18,5-19)-10ь Па; удельная энергия напекания - (1,45-1,50)* 10'9 Дж/м4 - позволяет получать покрытия с относительной износостойкостью в 2,73 раза выше по отношению к бронзе при прочности сцепления не 210-10б Па.
Литература v
1. Чижов В.H., Бодякин A.B. Перспективы развития электроконтактного напекания, как способа восстановления деталей с.~х. техники // Производство продукции сельского хозяйства в Алтайском крае в современных условиях: проблемы и решения: Материалы региональной научно-практической конференции, 4-5 марта 1998 г. Часть 2. - Барнаул, 1998. -С. 324-327.
2. Бодякин A.B., Семёнов П.В. К выбору порошковой композиции для пар скольжения при ремонте сельскохозяйственной техники // Совершенствование технологий и технических средств в АПК: Юбилейный сборник. - Барнаул: Изд-во. АГАХ2001.-С. 135-138.
3. Чижов В.H., Бодякин A.B., Семенов П.В. Новый материал для втулок подшипников скольжения // Алтай: село и город.
- 2002. -№11 (56) июнь. - С. 16-17.
4. Евдокимов Ю.А., Колесников В.H., Тетерин А.И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. - М.: Наука, 1980. - 228 с.
5. Чижов В.Н. Удельные параметры процесса напекания для различных групп деталей // Повышение эффективности эксплуатации и ремонта машинно-трактор-ного парка: Сб. науч. тр. / Алт. с.-х. ин-т. -Барнаул, 1987.-С. 79-83.
6. Райченко А.И. Основы процесса спекания порошков пропусканием электрического тока. - М.: Металлургия, 1987.
- 128 с.
7. Шубин Д.П. Технология восстановления внутренних цилиндрических поверхностей стальных деталей электо-контактным напеканием: Дис. канд. техн. наук. - Барнаул, 1989. - 143 с.
