CC BY
97
УДК.621.
КАРБОНИТРАЦИЯ - ЭФФЕКТИВНЫЙ МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ГИДРОПРИВОДОВ СТРОИТЕЛЬНО-
ДОРОЖНЫХ МАШИН
Ю.В. Рыжков, генеральный директор, НПО «Гидромодуль», Д.Б. Глушкова, доцент, к.т.н., Г.А. Аврунин, доцент, к.т.н., Е.А. Нестеренко, ассистент, ХНАДУ, А.К. Олейник, инженер, ГП «Завод им. Малышева», А.В. Черняева, студент,
ХНАДУ
Аннотация. Исследуются условия работы деталей объемного гидропривода. На основании проведенных сравнительных исследований выбирается эффективный метод повышения надежности их работы.
Ключевые слова: гидромашины, поверхность трения, режимы нагружения.
Введение
Современные объемные гидромашины работают в условиях высоких скоростных и температурных нагрузок. В аксиально-поршневых гидромашинах частота вращения входного вала достигает более 10000 об/мин, давление рабочей жидкости достигает 50 МПа, температура меняется от -50 °С до 135 °С [1].
Анализ публикаций
Основной причиной выхода из строя в процессе эксплуатации технических систем является изнашивание их поверхностей трения.
В узлах трения технических систем износ поверхностей зависит от трех главных факторов: природы поверхностей трения, смазочного материала и режимов нагружения [2]. Поэтому большое внимание уделяется проблемам повышения противоизносных свойств поверхностей пар трения и смазочных сред.
Для объемных гидроприводов вопросы износостойкости узлов трения являются приоритетными, так как увеличение зазоров в поршневых парах гидромашин и распределительных гидроустройствах приводят к интенсивному снижению КПД гидропривода, по-
тере точности и быстродействия [3]. Большие проблемы возникают при ремонте изношенного гидрооборудования, при котором приходится менять материал и использовать различные технологии, позволяющие уменьшить работу трения, температуру деталей и интенсивность их изнашивания.
Задача повышения надежности узлов трения гидрооборудования должна решаться комплексно на основе учета следующих факторов:
1) выбора соответствующего материала деталей контртел, покрытий и специальных обработок поверхностного слоя, отвечающих требованиям по прочности, антифрикционным и противоизносным свойствам, способностью работать в условиях широкого диапазона температур;
2) подбора рабочей жидкости, обеспечивающей высокие антифрикционные и противоиз-носные свойства узлов трения с учетом области и условий использования объемного гидропривода;
3) проведения эффективной обкатки узлов трения на основе обеспечения контроля уровня проработанности и выявления дефектов уже на стадии заводских приемосдаточных испытаний продукции.
Цель и постановка задачи
Целью работы является выбор метода повышения надежности деталей гидроприводов и определение триботехнических характеристик материалов, используемых в НПО «Гидромодуль».
Материал и методика исследований
К материалу деталей гидроприводов предъявляются следующие требования:
- высокая коррозионная стойкость;
- высокая прочность в сочетании с высокой твердостью для повышения износостойкости;
- низкий коэффициент теплового расширения с целью получения минимальных объемных изменений в процессе эксплуатации.
От материала в значительной мере зависит долговечность объемных гидромашин и гидроустройств в эксплуатации.
В работе для исследования выбрана сталь 45, которая используется для изготовления деталей гидропривода в НПО «Гидромодуль». В качестве эталона выбрана дорогая легированная сталь 38Х2МЮА, имеющая высокие антифрикционные характеристики.
Наиболее высокие показатели твердости и износостойкости 38Х2МЮА имеет после азотирования. Комплексное легирование Сг, А1, Мо позволяет повысить твердость азотированного слоя до 1200 НУ. Молибден устраняет отпускную хрупкость, которая возникает при медленном охлаждении от температуры азотирования.
Существенным недостатком азотирования является большая длительность процесса и малая толщина упрочненного слоя, что ограничивает контактные нагрузки на поверхность.
Исследования показали, что совместное насыщение азотом и углеродом позволяет получить определенные преимущества.
Сталь 45 подвергали карбонитрации. Этот метод представляет собой процесс насыщения азотом и углеродом, проходящий при температуре 550° С в течение 20-25 мин.
Испытания проводились на машине трения СМЦ-2, которая позволяет провести сравнение испытуемых материалов по износостойкости, антифрикционным и приработочным свойствам по схеме «ролик-колодочка» (рис. 1).
1
Рис. 1. Схема испытаний, проводимых на машине трения СМЦ-2: 1 - неподвижный образец (колодочка), 2 - подвижный образец (диск)
Пара трения состоит из вращающегося ролика диаметром 50 мм, к цилиндрической поверхности которого в специальной оправке притирается неподвижная колодочка. Колодочка представляет собой часть кольца, внутренняя поверхность которого (рабочая поверхность) выполнена строго по радиусу ролика. Контакт контртел при работе осуществляется по поверхности площадью около 2 см2 для обеспечения устойчивости колодочки при испытаниях. Смазывание осуществлялось индустриальным маслом марки И20А с добавлением 0,1 % абразивных частиц дисперсностью до 5 мкм.
Рис. 2. Машина трения СМЦ-2
Время скольжения составляло 5 часов. Износ образцов определялся по потере массы за время испытания путем взвешивания на аналитических весах с точностью до 10-4 г. Перед взвешиванием (до и после испытания) образцы тщательно обезжиривались. Для
каждого варианта материала проводилось не менее 3 испытаний, на основании которых подсчитывались средние результаты по износу контртел.
На износостойкость испытывались: сталь 45 после улучшения и сталь 45 после карбонит-рации.
Таблица 1 Результаты испытаний на
£ износостойкость
о
о
Для определения задиростойкости проведены исследования по определению зависимости коэффициентов трения от нагрузки. Исследовались:
- сталь 45 после улучшения;
- сталь 45 после карбонитрации;
- сталь 38Х2МЮА после азотирования.
В качестве контртела выбран высокопрочный чугун ВЧ60.
Для эталона - сталь 38Х2МЮА с азотированием, задиров не наблюдалось во всем диапазоне приложенных нагрузок.
Запас нагрузочной способности для стали 45 после карбонитрации возрастает с 0,8 кН до 1,0 кН. Значение коэффициента трения исследуемой стали 45 уменьшается после кар-бонитрации.
Выводы
Материал колодки р е « н о" & X дискаМатериал Износ диска, г (средний по 3-м испытаниям) Износ колодочки, г (средний по 3-м испытаниям)
Сталь 45 30-32 СЧ20 0,0046 0,0026
Сталь 45 с карбо-нитрацией 58-60 СЧ20 0,0040 0,0018
Таким образом, износ стали 45 после карбо-нитрации при выбранных условиях эксплуатации уменьшается в ~1,5 раза.
Важно знание нагрузочной способности, выше которой при данных материалах и условиях работы нельзя превышать критические нагрузки, приводящие к задирам контртел.
Для упрочнения рабочих поверхностей золотниковых пар объемных гидроприводов и придания им повышенной стойкости при работе в широком температурном диапазоне рекомендуется применение поверхностного упрочнения.
Проведенные исследования показали, что карбонитрация в 1,5 раза повышает износостойкость стали 45, увеличивает задиростой-кость на 20 % при уменьшении значений коэффициентов трения.
02 0.4 0.6 08 1 1.2 1.41.6
—Смь 45 (Улучшение) — Сталь 45 |Кар)(жгрр Сталь 38Х2МЮА (Ашроиж)
Рис. 3. Зависимость коэффициента трения от нагрузки
Таким образом, карбонитрация повышает триботехнические характеристики стали и может быть рекомендована для внедрения при ремонте золотниковых пар гидроустройств.
Литература
1. Зайцев Г.С., Аронсон А.Я. Усталостная
прочность деталей машин гидротурбин.
- М.: Машиностроение, 1995. - 160 с.
2. Филатов Н.Я. Влияние формы цикла
напряжений на накопления усталостного повреждения // Прикладная механика.
- 1998. - Вып. III. - С. 83 - 89.
3. Материаловедение: Учебник для ВУЗов /
Б.Н. Арзамасов, В.И. Макаров и др. / Из-д-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. -648 с.
Рецензент: А.П. Любченко, профессор, д.т.н.,
ХНАДУ. Статья поступила в редакцию 5 июля 2007 г.
