CC BY
22
УДК 620.172.242 (620.178.151.6)
А.П. Фот, доктор технических наук, профессор кафедры деталей машин, главный ученый секретарь, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» е-таП: fot@mail.osu.ru
С.Е. Крылова, кандидат технических наук, доцент кафедры материаловедения и технологии металлов, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» е-таП: krilova27@yandex.ru
М.Ю. Тарова, аспирант, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» е-таП: marina_lap84@mail.ru
О ВЛИЯНИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ПРОЧНОСТЬ ПЛАСТИН ПРИВОДНОЙ
РОЛИКОВОЙ ЦЕПИ
Статья посвящена оценке влияния термической обработки на прочность пластин звеньев приводных роликовых цепей, которые широко используются в различных приводах (например, в транспортных машинах, в технологическом оборудовании нефтегазовой отрасли, в металлорежущих станках и другое). Одним из параметров, характеризующим прочность цепи, является разрушающая нагрузка цепи в целом (и пластин звеньев цепи в частности), зависящая от выбранного способа упрочняющей обработки. Приведены данные экспериментов по оценке статической прочности пластин двух исполнений внутреннего звена однорядной приводной роликовой цепи с шагом 25,4 мм (пластина 1 завода-изготовителя «А» и модифицированные пластины 2 завода-изготовителя «Б» различной толщины, подвергнуты термообработке на различных режимах на заводе-изготовителе «Б» и в лаборатории кафедры материаловедения и технологии материалов Оренбургского государственного университета с обеспечением твердости, близкой к твёрдости пластин завода-изготовителя «А»). Установлено, что значения твёрдости материала пластин звеньев цепей, обеспечиваемых соответствующей термической обработкой, могут быть использованы для сравнительной оценки прочности пластин и назначения условий испытаний и эксплуатации цепей.
Ключевые слова: роликовая цепь, пластина звена цепи, термообработка.
Цепные передачи в силу целого ряда достоинств широко используются в различных приводах (например, в транспортных машинах, в технологическом оборудовании нефтегазовой отрасли, в металлорежущих станках и др.). В цепных передачах применяют одно- и многорядные роликовые цепи различной конструкции, основные параметры которых определены отечественными (например, ГОСТ 13568-97 [2], ГОСТ 21834-87 и другие) и зарубежными (например, DIN 8187 [9], DIN 8188 и другие) стандартами. Указанные стандарты допускают широкое варьирование параметров пластин звеньев цепей, включая размеры пластин, характеристики материалов пластин и режимов термической и других видов упрочняющей обработки. В связи с этим цепи различных заводов имеют существенно отличающиеся весовые и эксплуатационные характеристики, и вопрос выбора размеров и упрочняющей обработки пластин звеньев при проектировании продолжает оставаться актуальным. Одним из параметров, характеризующим прочность цепи, является разрушающая нагрузка цепи в целом и пластин звеньев цепи в частности [1, 3, 4, 6].
Эксперимент по нахождению разрушающей нагрузки проводили с пластинами внутреннего звена однорядной приводной роликовой цепи с шагом 25,4 мм. Испытывались пластины двух исполнений
(по 5 образцов каждого исполнения пластины):
1) пластины цепи завода-изготовителя «А», изготовленной с учётом требований ТУ4173-001-25258449-2001 [5] (рисунок 1, получены разборкой товарной цепи) (далее - исполнение 1);
Рисунок 1. Пластина 1 (справа - после испытания)
2) пластины модифицированные (рисунок 2, с изменённым контуром), изготовленные на заводе «Б» из стали 38Х ГОСТ 4543-71 по чертежу завода-изготовителя «Б» с учётом требований по термообработке завода-изготовителя «А» и ТУ4173-001-25258449-2001 (далее - исполнение 2).
Рисунок 2. Пластина 2 (справа - после испытания)
Ширина пластин и диаметры отверстий в пла- товитель - ООО «Завод испытательных приборов»,
стинах обоих исполнений идентичны (одинаковая Россия, 153009, город Иваново). Для установки
высота разрушаемого сечения). пластин в захватах машины использовали специ-
Разрушающую нагрузку пластин определяли альное приспособление (рисунок 3), обеспечиваю-
в лаборатории кафедры машиноведения Орен- щее предварительный натяг в отверстии пластины
бургского государственного университета на до её растяжения в машине (позволяет приблизить
разрывной машине ИР 5047-50 универсального условия испытания к реальным условиям нагруже-
назначения с электронным силоизмерителем (изго- ния пластины в звене цепи).
а)
б)
Рисунок 3. Приспособление для испытания пластин: а) приспособление в захватах; б) пластина звена цепи в приспособлении
Оценку качества термообработки пластин производили по значениям твёрдости. Измерение твердости осуществляли методом Роквелла на приборе типа ТН-301 при нагрузке 150 кГс в соответствии с ГОСТ 9013-59, величина твердости определялась как среднее значение по 7 экспериментальным равноудаленным точкам. Согласно усреднённым данным твердость пластин исполнения 1 составила 36,5 HRC, пластин исполнения 2 - 39,8 HRC (находятся в интервале значений 34...41 HRC, установленных в чертежах заводов-изготовителей).
Производили анализ химического состава сталей, использованных для изготовления пластин заводами «А» и «Б» методом эмиссионного автоматического спектрального анализа с возбуждением пробы с помощью искры на приборе FOUNDRI-MASTER модели XRP в рабочем диапазоне 130.780 Нм по ГОСТ 18895-97. Данные эксперимента показали, что для завода «А» химический состав элементов соответствует стали марок 40Х или 38Х (основные компоненты: С - 0,35%, Сг - 0,82%),
для завода «Б» - стали марки 40Х (основные компоненты: С - 0,37%, Сг - 0,83%), что полностью соответствует ГОСТ 4543-71, однако в стали завода «А» меньше углерода, что могло отразиться на параметрах твёрдости пластин после термообработки.
Сопоставление структур термообработанных сталей пластин исполнения 1 и исполнения 2 (рисунок 4) показывает, что ввиду большего содержания углерода в стали 40Х после термического улучшения она имеет более дисперсную трооститную структуру металлической основы с мелкими равномерно распределенными карбидами хрома типа Сг23С6. В то время как сталь 38Х в процессе отпуска претерпела распад на феррито-перлитную структуру с растворением карбидов хрома в матрице металла (на рисунке 4а отчетливо видны границы зерен феррита и перлита), что объясняет разброс значений твердости на 6-8 единиц на образцах пластин.
Расчётные значения временного сопротивления св, согласно найдённым значениям твёрдости с учё-
а) б)
Рисунок 4. Структура сталей после термической обработки: а) сталь 38Х (феррит + перлит); б) сталь 40Х (троостит + карбиды Сг23С6)
том переводных таблиц ГОСТ 22761-77, составили Таким образом, предварительные эксперименты
для пластин исполнения 1 около 1084 МПа, пластин показали существенное отличие размеров пластин
исполнения 2 - 1214 МПа, разрушающие напряже- завода «А» от требований чертежа по толщине пла-
ния в эксперименте - 953,98 МПа и 1133,46 МПА стины, отличие химических составов, использован-
(примерно на 11,99% и 6,63% меньше расчётных ных заводами «А» и «Б» сталей, значений твёрдости
значений - в пределах допустимых 15% погрешно- и значений разрушающей нагрузки для пластин ис-
стей механических испытаний). полнения 1 (таблица 1) и исполнения 2 (таблица 2).
Таблица 1. Параметры пластин завода-изготовителя «А»
Номер образца пластины Толщ. пласт. X, мм Разр. нагр. (факт), F, кН Уд. разр. нагр., Fу= F / X Тверд. поверхн., тс Приведённая уд.разр.нагр. Fпу= Fу / тс
1 2,83 30,94 10,93 37,6 0,2907
2 2,76 29,43 10,66 35,4 0,3011
3 2,79 30,82 11,05 35,7 0,3095
4 2,72 29,32 10,78 36,9 0,2921
5 2,85 30,27 10,62 37,0 0,2870
Условная Значения параметров условной пластины (средние по 5-и пластинам)
пластина 2,79 30,156 10,81 36,5 0,2962
Таблица 2. Параметры пластин завода-изготовителя «Б»
Номер образца пластины Толщ. пласт. X, мм Разр. нагр. (факт), ^ кН Уд. разр. нагр., Fу= F / X Тверд. поверхн., тс Приведённая уд.разр.нагр. Fпу= Fу / тс
1 3,16 40,26 12,74 38,5 0,3309
2 3,16 41,78 13,22 40,6 0,3256
3 3,15 39,67 12,59 39,3 0,3204
4 3,16 41,41 13,10 39,3 0,3333
5 3,14 39,40 12,55 41,2 0,3046
Условная пластина Значения параметров условной пластины (средние по 5-и пластинам)
3,154 40,504 12,84 39,8 0,3226
Учитывая различие в размерах и характеристиках твёрдости пластин различных заводов-изготовителей (даже изготовленных по одному стандарту), была оценена возможность сравнениях образцов пластин по удельным и приведённым удельным значениям разрушающей нагрузки.
В частности, если пластины изготовлены из одинаковых марок сталей и имеют одинаковую твер-
дость после термообработки, одинаковую ширину пластины и диаметр отверстия в ней, но имеют различную толщину, то сравнение таких пластин можно производить по удельной разрушающей нагрузке Fу (1):
Fу= F / X, кН/мм (1),
где: F - разрушающая нагрузка, кН; X - толщина пластины, мм.
Если же пластины отличаются дополнительно и твёрдостью материала, то предлагается сравнивать их по значениям приведённой удельной разрушающей нагрузки Fпу (2):
FПу= Fу / ЖС, кН / (мм ед.тв. ЖС) (2), где: Fу - удельная разрушающая нагрузка, кН/мм; Н^С - значения твёрдости по методу Роквелла.
Например, в нашем случае средняя приведённая удельная разрушающая нагрузка Fпу пластин завода «Б» имеет значение 0,3226, а пластин завода «А» - 0,2962 (на 8,18% меньше, чем у пластин завода «Б»). Тем не менее, учитывая допустимую погрешность экспериментов, можно сделать вывод о равнопрочности сравниваемых пластин.
Анализ полученных данных подтверждает возможность сравнительной оценки испытываемых пластин звеньев роликовых цепей с использованием предложенной методики по критерию приведённой удельной разрушающей нагрузки (отличие прочностных характеристик пластин завода-изготовителя «А» и пластин контрольной серии завода-изготовителя «Б» не превышает 6,98 % и не превышает значения допустимой погрешности). По результатам статистической обработки результатов эксперимента истинное значение приведённой удельной разрушающей нагрузки подвергнутых испытаниям пластин с вероятностью 95% определяется в интервале значений (0,3034.0,3208) кН/(мм.. ед.тв. ЖС).
Для определения ориентировочного значения разрушающей нагрузки F пластин с заданными высотой h опасного сечения, толщиной t и твёрдостью НRC после термообработки для цепей с шагом, отличающимся от 25,4 мм, можно рекомендовать зависимость (3):
F = 0, 088 Fпу• h • t • ЖС, (3)
где h = (Ь - d) - высота опасного сечения пластины (здесь: Ь - наибольшая ширина пластины, мм; d - диаметр отверстия в пластине, мм).
Полученные данные позволяют более объектив-
Для проверки правомочности предложенной методики сравнения пластин на заводе «Б» была изготовлена дополнительная партия пластин из стали марки 40Х. Термообработка пластин осуществлена в лаборатории кафедры материаловедения и технологии материалов Оренбургского государственного университета с обеспечением твердости, близкой к твёрдости пластин завода «А» (36,5 HRC) по режиму термического улучшения (закалка с температурой 850°С в «Термат» с последующим высоким отпуском при температуре 520°С, охлаждение на воздухе).
Затем были проведены испытания по определению разрушающей нагрузки контрольной серии пластин (результаты представлены в таблице 3).
но назначать и условия нагружения пластин при усталостных испытаниях (уровни нагружения при построении кривой выносливости назначаются, исходя из значения разрушающей нагрузки).
Для пластин звеньев цепей, работающих в условиях коррозионного воздействия (например, на предприятиях химической промышленности), определение статической прочности следует производить при особо малых скоростях деформирования с использованием специальных методик и оборудования [7, 8], поскольку коррозионные среды негативно влияют на прочностные свойства сталей и снижают эффект от термической обработки.
Выводы:
1. Термическая обработка пластин звеньев приводных роликовых цепей играет важную роль в обеспечении требуемой прочности пластин.
2. Значения твёрдости материала пластин звеньев цепей, обеспечиваемых соответствующей термической обработкой, могут быть использованы для нахождения приведённой удельной разрушающей нагрузки и сравнительной оценки прочности пластин и назначения условий испытания и эксплуатации цепей.
Таблица 3. Параметры пластин завода-изготовителя «Б» (контрольная серия)
Номер образца пластины Толщ. пласт. ^ мм Разр. нагр. (факт), ^ кН Уд. разр. нагр., Fу= F / t Тверд. поверхн., ЖС Приведённая уд.разр.нагр. Fпу= Fу / ЖС
1 2,78 32,29 11,62 36,43 0,3190
2 2,79 33,76 12,10 39,00 0,3103
3 2,77 33,83 12,21 40,16 0,3040
4 2,76 33,18 12,02 37,88 0,3173
5 2,77 33,73 12,18 36,28 0,3357
Условная пластина Значения параметров условной пластины (средние по 5-и пластинам)
2,774 33,358 12,025 37,95 0,3169
Литература
1. Воробьев, Н.В. Цепные передачи: монография / Н.В. Воробьев. Москва: Машиностроение, 1968. - 262 с.
2. ГОСТ 13568-97. Цепи приводные роликовые повышенной прочности и точности. Технические условия. - Москва: Изд-во стандартов, 1988. - 15 с.
3. Ивашков, И.И. Пластинчатые цепи. Конструирование и расчёт / И.И.Ивашков. Москва: ГНТИ машиностроительной литературы, 1960. - 264 с.
4. Каменев, С.В. Напряжённо-деформированное состояние пластин звеньев приводных роликовых цепей // С.В. Каменев, М.Ю. Лапынина, А.П. Фот, В.И. Чепасов // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2014. - №1. - С.196-202.
5. ТУ 4173-001-25258449-2001. Цепи приводные роликовые повышенной прочности и точности. -Ульяновск: Ульяновский Завод Цепей, 2001.
6. Фот, А.П. Оценка конструктивно-технологического совершенства приводных цепей / А.П.Фот // Вестник ОГУ - 2012. - № 1. - С. 197-199.
7. Фот, А.П. Оборудование для коррозионно-механических испытаний в натурных средах / А.П.Фот,
B.М.Кушнаренко, Р.Н.Узяков // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 1991. - Т. 57. - № 7. -
C. 47-48.
8. Фот, А.П. Машина МР-5-8В для коррозионно-механических испытаний / А.П. Фот, В.М. Кушнаренко, О.И. Стеклов, В.С.Уханов, Г.П.Ковалевская, Р.Н. Узяков // Заводская лаборатория. - 1991. - №6. - С. 60-61.
9. Цепи высокого качества: каталог фирмы Rexnord Kette GmbH [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.inhydro.ru /docs/ InHydro.Chains.pdf (15.05.16).
