CC BY
236
© Д. Дэлэг, С. Ванчинжав, Н. Пурэвдорж, 2008
Д. Дэлэг, С. Ванчинжав, Н. Пурэвдорж
ИССЛЕДОВАНИЕ САМОЗАТАЧИВАНИЯ ЗУБА КОВША ЭКСКАВАТОРА
~П большинстве случаев землеройные машины предна-
-А-#значены для высокопроизводительной работы в тяжелых условиях. Главным определяющим параметром этих машин является производительность, которую увеличивают, создавая весьма крупные машины и повышая единичную мощность и рабочие скорости существующих машин при неизменных их размерах, а также совершенствуя рабочие процессы. Совершенствование рабочего процесса, повышение производительности машин во многом является следствием увеличения энергии воздействия на разрушаемую среду. Однако некоторые исследователи считают, что сейчас практически исчерпаны возможности такого увеличения при "статическом" взаимодействии рабочего органа и среды. И далее констатируют, что существующие машины, реализующие на рабочем органе усилия величиной в несколько сот килоньютонов, имеют значительную массу и мощность двигателя. Дальнейшее увеличение этих показателей во многих случаях не приводит к росту экономической эффективности таких машин. Такой вывод справедлив, так как при копании на зубья ковша экскаватора передаются усилия, которые зависят, с одной стороны, от сопротивления грунта копанию, а с другой - от устойчивости машины.
Сопротивление грунта копанию зависит от свойств грунта и состояния рабочей части зубьев. С течением времени острие зуба затупляется, увеличиваются площадка износа и сопро-тивление копанию. Полный износ зубьев, как отмечал Ю.А. Ветров, происходит уже после выработки 30-35 тыс. м3 песчано-щебеночных грунтов. При этом угол заострения зуба увеличивается в 2-2,5 раза, достигая 65-700 вместо 260 у нового зуба, а рабочая длина уменьшается в 3-4 раза. Недостаточно эффективное использование землеройной техники в значительной степени объясняется интенсивным изнашиванием рабочих органов. Поэтому исследователи большое вни-
мание обращают на создание износостойкого режущего элемента (зуба). Увеличение износостойкости зуба приводит к тому, что экскаватор работает при изношенных зубьях более длительный период времени. Это приносит еще больше отрицательных результатов, в конечном счете приводя к быстрому снижению ресурса машины в целом. Важным направлением в развитии землеройной техники является совершенствование конструкций рабочего оборудования и рабочих органов, взаимодействующих с обрабатываемой средой. А для одноковшовых экскаваторов в этом направлении постоянно ведутся интенсивные исследования, как по совершенствованию конструкций, так и по созданию новых рабочих органов и зубьев ковша. Эти исследования также направлены на снижение энергоемкости, сбережение ресурса, повышение производительности экскаваторов и других их качественных показателей. Так, за счет оптимизации конструкций рабочих органов экскаватора - ковшей, работающих по принципу механического разрушения грунта, за последние 30-40 лет удалось снизить энергоемкость рабочих процессов на 20-50 %, увеличить производительность машин на 15-40 %, существенно повысить долговечность зубьев и ковшей, а также разработать экономичные технологии их ремонта и восстановления работоспособности [1]. Найдены и получили достаточно широкое применение более износостойкие материалы для зубьев и ковшей, а также новые наплавочные и другие материалы для их ремонта и восстановления. Хотя эти достижения намного увеличивают срок службы рабочих органов, они не полностью исключают затупление зубьев, вызванное многократно увеличившимся сопротивлением грунта. На одноковшовых экскаваторах конструкции козырьков ковшей и зубьев, непосредственно соприкасающихся с грунтом при копании, в значительной степени унифицированы и в разных моделях экскаваторов различаются лишь размерами.
Для одноковшовых экскаваторов А.С.Ребров установил основные параметры зубьев - ширину рабочей части зуба следует определять по выражению Ьр = 0,11^ (где V - вмести-мость ковша);
длина рабочей части зуба 1р = (0,25 + 0,3)3V ; чтобы исключить
переднюю стенку ковша из процесса копания, первоначальный радиус заострения зуба следует определять по выражению /3 = 0,625#^ ; угол заострения у нового зуба 26° [4]. Это положе-
ние в настоящее время сохраняется почти у всех экскаваторов, выпускающихся в России.
Наряду с этим имеются различные рекомендации и патенты по форме и размерам зубьев ковшей экскаваторов. В этом направлении заслуживает внимания биомеханическое моделирование в создании режущих органов землеройных машин [3]. Создание режущих органов землеройных машин на основе биомеханического моделирования позволяет использовать эффект самозатачивания при подборе материалов сложного строения, выборе оптимальной формы, обеспечивающей минимальное значение силы трения. Биомеханическое моделирование направлено на обеспечение соответствия режущих органов грунтовым условиям, достижение минимальной динамичности и энергоемкости процесса резания грунтов, максимальной конструктивной прочности и необходимой износостойкости рабочих кромок и поверхностей, а также простоты изготовления, монтажа, демонтажа и ремонта [3]. Создание новых и совершенствование выпускаемых машин для земляных работ осуществляются в направлении повышения их производительности за счет интенсификации рабочих органов при уменьшении массы, повышении долговечности и надежности [2]. Однако проводившиеся многочисленные исследования по интенсификации действия рабочих органов землеройных машин за счет применения вибрации, различных физических и химических способов воздействия на грунт пока не привели к существенным практическим результатам, но поиски в этих направлениях продолжаются [1]. В таком противоречивом случае остается один выход - обращать внимание на поиск путей, обеспечиваюших самозатачивание зубьев ковшей экскаваторов в процессе работы. Создание и реализация самозатачивае-мых зубьев экскаваторного ковша по своей значимости могут сравниваться с динамическими, рабочими органами (ударный, вибрационный, высокоскоростной), которые увеличивают энергическое воздействие на среду. Затупление зуба изменяет характер действия нагрузки в сторону интенсивного изнашивания рабочей части зубьев. В процессе работы изменяются основные параметры зуба: его рабочая длина (кривая 1 на рис. 1, б), угол заострения (кривая 2), площадки износа (кривая 3) [4].
Рис. 1. Характер изменения формы зуба ковша экскаватора (а) и его параметров (б): 1 - длины; 2 - угла заострения; 3 - длины площадки износа
Эти изменения основных параметров зуба подтверждаются нашей попыткой применения расчетной программы для исследования износа зубьев ковша экскаватора.
При создании новых по конструкции зубьев и при выборе материалов для их производства требуются прогрессивные методы исследования изнашивания, исключающие трудоемких лабораторные и полевые испытания.
Мы считаем, что одним из таких прогрессивных и современных методов является использование расчетных программ для прогнозирования износостойкости зубьев ковша экскаватора, и авторы представляют результат первой попытки по этому направлению. Для получения результата первого приближения в расчетную программу ввели только один параметр - расчетную нагрузку.
Используя программный продукт Ansys, нагружаем расчетной нагрузкой изнашиваемую поверхность зуба. Расчетная программа Ansys включает в себя: задание типа элементов; их констант свойства материала; построение геометрической модели (создание точки, линии, площадь); построение конечно-элементной сетки; задание граничных условий и нагружения; запуск на счет; создание таблицы элементных результатов; деактивацию выделенных элементов и пересчет следующего шага и т.д.
У экскаваторного зуба нагрузка распределена неравномерно от 0 до 5000 Н (рис. 2).
а б
в
Рис. 2: а, б - общий вид зуба экскаваторного ковша; в - построение конечно- элементной сетки
Рис. 3. Результат после решения
Рис. 4. Характер изменения формы зуба после первого (а), второго (б), третьего (в) и четвертого (г) шага нагружения
По продольному сечению зуба определили распределения эквивалентного напряжения (рис. 3). Если наблюдается значение выше допустимого напряжения, то удаляем элемент из поверхности зуба в местах наибольшего напряжения. Расчеты повторялись 4 раза (рис. 4).
Из рис. 4 видно, что характер изменения формы зуба, полученный при использовании расчетной программы Ansys, почти идентичный с характером изнашивания зуба при эксплуатационных условиях (см. рис. 1, а).
Исследователями [4] установлено, что у зубьев с наплавкой на передней и задней плоскостях изнашивание происходит сравнительно медленно, но зубья с наплавкой на внутренней плоскости имеют наименьшую скорость изнашивания, при этом происходит также самозатачивание зуба (рис. 5, г ). В этом случае самозатачивание происходит не симметрично относительно оси зуба, а образует достаточно большую площадку затупления, которая вызывает дополнительное лобовое сопротивление двугранного клина. Кроме того, площадка затупления на наружной плоскости зуба вызывает отталкивающее усилие на ковш экскаватора со стороны массива, для преодоления которого затрачивается дополнительное напорное усилие, одновременно увеличивающее общее сопротивление копанию грунта экскаватором. Для того, чтобы исключить все отрицательное влияние затупленных зубьев на работу и эксплуатацию экскаваторов, необходимо создать конструкцию самозатачивающегося зуба ковша экскаватора при существующей форме зуба (рис. 6). Эффект самозатачивания основан на подборе места расположения износостойкого материала, на выборе соотношения твердости материалов самого зуба и износостойкого композиционного материала. ;
Новая конструкция зуба позволяет постоянно сохранять острые зубья, не образуя площадку затупления.
Для того чтобы проверить патентоспособность этой новой конструкции зуба, изготовили четыре модели из целлоида, в середине которых по оси заложены закладные паластинки из различных материалов, т. е. из марганцовистой стали (рис. 8, 1), алюминия (рис. 8, 2), меди (рис. 8, 3), свинца (рис. 8, 4).
Модели испытаны на стенде ускореного испытания с центробежным барабаном, загруженным корундом (рис. 7).
Результаты испытания показаны на рис. 8.
Рис. 5. Характер изменения формы зуба в зависимости от места нанесения износостойкой наплавки: а - без наплавки; б - наплавка по двум плоскостям; в -по наружной плоскости; г - наплавка по внутренней плоскости Рис. 6. Характер изменения формы самозатачивающегося зуба новой конст-
Рис. 7. Схема испытательного стенда
Рис. 8. Общий вид изношенных моделей: а - через 50 часов; б - через 100 часов; в - наложенные друг на друга виды неизношенных и изношенных моделей
Из рис. 8 видно, что стальная пластинка почти не укорочена, а пластинки из алюминия и меди укорочены, но эти модели не затуплены, сохраняют остроту по оси, т. е. самозатачиваются. А модель зуба, имеющая менее твердую закладную свинцовую пластинку, чем целлоид, изнашивается как обычный зуб, изготовленный из однородного материала. Этим доказана патентоспособность новой конструкции и получен патент.
В поиске конструкционного решения самозатачиваемого зуба ковша экскаватора мы перед сабой поставили задачу получить износостойкий композиционный материал непосредственно в процессе изготовления зубьев литьем.
В настоящее время, как и раньше, основное место в производстве режущего рабочего органа машин для земляных работ занимают марганцовистые стали, в большинстве сталь марки 110Г13Л или сталь Гатфильда. Сталь Гатфильда достаточно хорошо изучена и широко используется для производства износостойких деталей, работающих в ударно-абразивных условиях эксплуатации машин. Надо отметить то уникальное её свойство, как превращение аусте-нитной структуры в мартенситную при достаточной степени удара (в результате наклепа) и повышение твердости металла, сохраняя высокую вязкость. Но при эксплуатации деталей оборудования или машин в условиях без ударных нагрузок вышеупомянутое уникальное свойство теряется и наоборот очень быстро изнашивается. В практике часто требуется металл, который хорошо перенес бы изнашивание в условиях высоких и малых ударных нагрузок одновременно. Такое промежуточное свойство имеют композиционные металлы или сплавы.
Высокую стойкость и надежность режущего рабочего органа можно обеспечить, как правило, тогда, когда для конкретных условий их эксплуатации удается получить оптимальное сочетание сопротивления сталей пластической деформации (в качестве показателя, которой в большенстве случаев используется такое измеримое свойство как твёрдость) и хрупкому разрушению - вязкость. По нашему мнению, этого можно достичь разработкой новых технологических приемов производства литья.
В последнее время получило развитие повышение стойкост-ных свойств режущего инструмента за счёт структурной и химической неоднородности в материале. Примером комплексного решения задачи - повышение свойств материала в целом и в области
режущего инструмента за счёт формирования неоднородной структуры, являюся дамасские (булатные) стали. В настоящее время под дамасскими сталями принято понимать высокоуглеродистые стали, имеющие химическую и структурную неоднородность (дамасский узор) и обладающие высокими механическими свойствами. Большое число предполагаемых центров производства предопределило многообразие технологий получения дамасских сталей.
Первую попытку классифицировать дамасские стали по способу получения сделал П.П. Аносов в своей работе. Согласно приведенной им классификации дамасские стали подразделяются на ложные, искусственные или сварочные и настоящие. При этом в качестве отличительного признака он выбрал узор (макроструктуру поверхности образца), в частности отмечая, что “настоящий булат отличается от сварочного неподражаемым для искусства расположением узоров”. В то же время не совсем понятно, какой классификационный признак лег в основу термина “настоящие”. В последующих работах этот термин был заменен термином “литые“. При этом предполагалось, что в процессе получения дамасских сталей вся шихта или её часть находилась в расплавленном состоянии.
Ученые разных стран изучали и изучают особые свойство дамасских сталей. Тайна изготовления настоящей булатной стали до сих пор не открыта, но ученые сделали единый вывод, что этот металл композиционного характера. Исходя из таких выводов возникла идея изготовить композиционный сплав из двух металлов противоположного свойства. Задача данного опыта заключается в том, чтобы в мягкой вязкой матрице из высокомарганцовистой стали не полностью растворить хрупкий твердый белый чугун и получить композиционный сплав, сохраняющий достаточную твердость и вязкость. Этот композиционный сплав будет хорошо работать в условиях ударных нагрузок и без них.
Мы производили некоторые опытные плавки, отливали образцы для изучения сплава.
Опыт проводили следующим образом. Сперва мы отливали прутки 0 6; 8; 10 мм, длиной около 200 мм из сплава марки ИЧХ28Н2 или, как еще ее называют, износостойкого белого чугуна. Для шихтовки данного сплава мы брали обрезки литников отливок, произведенных на ремонтно-механическом Химический состав белого чугуна, по весовой %
Марка С Мп 81 & N1 Р 8
чугуна
ИЧХ28Н2 2.83 0.68 0.2-0.3 28.6 1.6 ~0.030 ~0.04
заводе ГОК ”Эрдэнэт”. Химический состав сплава показан в таблице.
Эти прутки из белого чугуна тщательно очистили до основного металла от пригара и окисленных слоев шлифовальным кругом, затем наждачной бумагой перед помещением их в литейную форму.
Опытные образцы имели форму параллелепипеда со сторонами 30x50x100 мм, внутри образцов вдоль оси длинной стороны расположили прутки разного диаметра из белого чугуна с шагом 15 мм между собой. Образцы были отлиты из стали Гатфильда при температуре 1410-1420 оС. После охлаждения до комнатной температуры образцы резали в поперечном сечении и изготовляли микрошлиф, затем изучали под металлографическим микроскопом с увеличением х100, х200 и х1000 (рис. 9, 10, 11, 12).
Первоначальная микроструктура прутка состоит из столбчатых дендритов цементита и мельких зерен перлита. Эта структура после заливки опытного образца плавно переходит в смешанную структуру аустенита и карбидов. По мере отдаления от зон количество карбидов уменшается, а количество зерен аустенита увеличивается. Матричная микроструктура состоит только из аустенита.
На поперечном сечении в каждой отдельной зоне опытного образца измеряли твердость в нескольких точках и усреднили результаты измерений. Максимальную твердость заиеры показывают в районе расположения прутка из белого чугуна. Эта величина твердости 543-549 НВ. По мере отдаления от этого района твердость уменьшается и составляет около 534 НВ в переходной зоне. А твердость матричного металла не более 246-250 НВ.
Отсюда можно сделать вывод, что в мягкой и вязкой матрице зонально расположенные карбиды увеличивают твердость, тем самым увеличивают износостойкость, сохраняя достаточную вязкость. Твердая карбидная зональная макроструктура
Рис. 9. Микроструктура около цен- Рис. 10. Микроструктура около натра прутка из белого чугуна (пру- ружной зоны прутка из белого чугу-ток полностью не распла-вился) на
Рис. 11. Микроструктура переход- Рис. 12. Микроструктура основного ной зоны прутка из белого чугуна и матричного металла (110Г13Л) стали
поддерживается вязкой матричной структурой и хорошо будет работать при малой ударной нагрузке. В случае высокой ударной нагрузки матричная аустенитная структура будет принимать главную нагрузку и превращаться в мартенситную. В этом случае твердая часть структуры частично будет разрушаться, но будет сохранять основную форму благодаря матричному мартенситу. В дальнейшем эта исследовательская работа будет продолжаться в направлении изучения влияний разных технологических факторов на свойства композиционного сплава и разработки оптимальной технологии производства конкретных отливок.
Рис. 13. Закономерность изнашивания зубьев ковша экскаватора: а - зуб заводского изготовления; б - зуб новой самозатачивающейся конструкции
▲ б к ’
№ !•
% -*л 1
а
Рис. 14: а - изношенный самозатачивающийся зуб; б - сравнение с зубом заводского изготовления, имеющим одинаковый по длине износ
По подобной, опытной технологии изготовлено достаточное количество зубьев и испытано в производственных условиях.
В результате промышленных испытаний выявлены закономерности изнашивания заводских зубьев и зубьев новой конструкции при определенных эксплуатационных условиях рабо-ты экскаваторов (рис. 13 и рис. 14).
Общие выводы
1. Для исследования изнашивания зуба экскаватора можно использовать расчетный программный продукт Ansys. В дальнейшем продолжать работу, учитывая другие параметры копания грунта экскаватором и конструкции зубьев.
2. Возможно производить детали, работающие в условиях малоударных нагрузок, с достаточной высокой твердостью без применения дефицитных дорогостоящих легирующих элементов.
3. Новая конструкция зуба экскаваторного ковша позволяет постоянно сохранять острые зубья, не образуя площадку затупления. Результаты нашего исследования показывают, что неблагоприятные следствия затупления зубьев ковша снижаются до 80 %.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Волков Д.П. Пути развития строительных машин и оборудования для открытых горных работ //Строительные и дорожные машины. - 1996. - № 4.
2. Волков Д.П. Проблемы динамики, прочности, долговечности и надежности строительных и дорожных машин //Строительные и дорожные машины. -1993. - № 5.
3. Шукуров Р.У. Биомеханическое моделирование создания режущих органов землеройных машин //Строительные и дорожные машины. - 2003. -№ 3.
4. Рейш А.К. Повышение износостойкости строительных и дорожных машин. -М.: Машиностроение, 1996. шгЛ
— Коротко об авторах -------------------------------------------------
Дэлэг Д. - профессор, директор Инженерно-механического института,
Ванчинжав С. - докторант, заведующий лабораторией научноисследовательского центра «Испытание и контроль металлов» Инженерно-механического института,
Пурэвдорж Н. - докторант, преподаватель Института математики,
Монгольский государственный университет науки и технологии.
