CC BY
29
Машиностроение и машиноведение
19.Шубин P.A. Надёжность технических систем и техногенный риск. Тамбов : Изд-во ТГТУ, 2012. 80 с.
20. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств. М. : Радио и связь, 1982. 432 с.
21.Штовба С.Д. Проектирование нечетких систем средствами Matlab. М. : Горячая линия-Телеком, 2007.288 с._
22.Ротштейн А.П., Штовба С.Д. Влияние методов дефаззификации на скорость настройки нечеткой модели // Кибернетика и системный анализ. 2002. № 5. С. 169-176.
23.Грунвальд В.Р. Технология газовой серы. М. : Химия, 1992. 272 с.
УДК 621.791 Еремеев Валерий Константинович,
к. т. н., доцент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8 (9642) 158-811, e-mail: eremeev1940@bk.ru Воронова Юлия Владиславовна, к. т. н., доцент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8 (9149) 576-516, e-mail: voronova_yv@irgups.ru Ермоленко Игорь Юрьевич, аспирант, кафедра «Вагоны и вагонное хозяйство», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8 (9642) 218-082, e-mail: ermolenko_iy@irgups.ru Лобова Александра Владимировна, кафедра «Вагоны и вагонное хозяйство», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8 (9834)437-966, e-mail: 1805alobova@gmail.com
ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ШЕЕК ВАГОННЫХ ОСЕЙ С ЭЛЕКТРОДАМИ
ПРИ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ НАПЛАВКЕ
V. K. Eremeev, Yu. V. Voronova, I. Yu. Ermolenko, A. V. Lobova
FEATURES OF CAR AXLES NECKS INTERACTION WITH ELECTRODES AT ELECTRIC PULSE SURFACING
Аннотация. В статье рассматриваются вопросы инженерных расчетов для определения технологических параметров электроимпульсной наплавки шеек вагонных осей в реальных конструкциях технологических приспособлений. Частые износы на шейке оси являются причиной проворота внутреннего кольца подшипника. Проведена оценка отказов буксовых узлов по этой причине. Разработана и решена объемная задача, иллюстрирующая напряженно-деформированное состояние шейки оси. Также предложен инженерный метод определения технологических параметров восстановления шеек вагонных осей способом электроимпульсной наплавки применительно к конкретным установкам. Опытным путем проведена наплавка шейки при различных электродах. В зависимости от величины наращенного слоя приходится применять разные материалы электродов. За счет тепла, выделяющегося в контакте электрода и детали при электроимпульсной наплавке, происходит их разогрев и оплавление с образованием мостика из жидкого металла между ними. Упрощенно рассмотрен процесс переноса металла электрода. Это необходимо для оценки времени процесса и качества сцепления с поверхностью основного металла, т. е. чем меньше будет шаг перекрытия валика металла, тем качественнее будет поверхность, что, в свою очередь, немаловажно для ответственных деталей. Анализ полученных данных показывает, что электроимпульсная наплавка позволяет качественно устранять незначительный износ шейки оси, из-за которого дальнейшая эксплуатация была бы невозможна. Наплавленная поверхность по прочности не уступает основному материалу оси. Износостойкость повышается за счет материала присадочного электрода.
Ключевые слова: электроимпульсная наплавка, электроды, капля металла, индукция, производительность.
Abstract. The article deals with the engineering calculations to determine the technical parameters of electro-deposition of car axles necks bearing in real structures of technological devices. Wear parts on the axis of the neck cause inner ring crank bearing. Evaluation of failure of axle assemblies for this reason is made. A problem showing the stress-strain state of the axis of the neck has been solved. Also a method for determining car axles necks recovery options using electro-deposition process in relation to specific settings is provided. Neck surfacing at various electrodes is held empiricslly. Depending on the magnitude of the value of accrued layer, it is necessary to use different electrode materials. Due to heat generated in the contact electrode and the parts as. Electro surfacing, their heating and melting to form a bridge from the liquid metal between them happen. Metal moving process is considered simplistically. This is necessary to evaluate the process time and quality of adhesion with the base metal surface, the smaller the metal roller overlap step, the better the surface is, which in turn is not unimportant for the critical parts. Analysis of the data shows that electric pulse welding allows to eliminate qualitatively axis neck slight wear, due to which further operation would be impossible. The weld strength on the surface is not inferior to the main axis of the material. Durability is enhanced by the filler electrode material.
Keywords: electric pulse welding, electrodes, metal drop, induction, performance.
Введение
В современной обстановке коммерческого оборота вагонов и их частей преобладающей стала переспектива отказа от технологий, способных восстановить или повысить ресурс детали, узла. Так дело обстоит и с осью колесной пары. В эксплуатации имеют место частые износы шейки оси, основной причиной которых является проворот внутреннего кольца подшипника (рис. 1). Это, в свою очередь, вызвано рядом причин:
- нарушение технологии монтажа внутренних колец;
- наличие на внутренних кольцах дефектов и повреждений, которые являются концентраторами напряжений и приводят к разрыву внутренних колец;
- заклинивание подшипника из-за разрушения роликов, сепараторов и скола бортика внутреннего кольца;
- повышенный нагрев буксового узла, приводящий к объемному расширению внутренних колец, посаженных на шейку оси с малыми натягами.
фектом по износу диаметра и шероховатости поверхности, разработаны различные способы восстановления рабочих размеров шеек вагонных осей, утверждённые соответствующими нормативными документами [2, 3]. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. В данной работе предложен инженерный метод определения технологических параметров восстановления шеек вагонных осей способом электроимпульсной наплавки (ЭИМ) применительно к конкретным установкам.
Рис. 2. НДС шейки оси под подшипником
Рис. 3. НДС шейки оси без подшипника
Рис. 1. Статистика отказа буксового узла
по провороту внутреннего подшипника по ремонтным предприятиям
Всего за 8 месяцев 2016 года было зафиксировано 1815 случаев нагрева буксы, из которых в 54 были выявлены провороты внутреннего кольца подшипника, что составляет 3 % от общего числа неисправностей.
Постановка задачи
Моделирование в среде Femap with NX Nastran [1] позволяет увидеть напряженно-деформированное состояние (НДС) шейки оси, находящейся под натягом внутреннего кольца подшипника (натяг составляет 0,04-0,06 мм) (рис. 2, 3).
Важно отметить, что износ, который получает шейка оси, совсем незначительный, но из-за проворота кольца подшипника она становится непригодной для дальнейшей эксплуатации. Новая ось допускает 4-5 перепрессовок колёс с обеспечением необходимого натяга 0,045-0,055 мм и служит значительно дольше вагонных колёс. Чтобы не исключать из оборота оси с таким де-
Рис. 4. Общий вид установки для ЭИМ
На рис. 4 показана действующая установка для электроимпульсной наплавки шеек вагонных осей, в табл. 1 - технологические параметры работы, полученные опытным путём. Электроимпульсная обработка, по существу, является процессом электромикронаплавки и заключается в том, что в конкретной установке на вращающемся диске закреплено 20 металлических электродов, расплавляющихся за счет кратковременного действия
Машиностроение и машиноведение
ш
электромикродуги в подвижном контакте вращающегося диска и цилиндрической наплавляемой поверхности оси. В зависимости от величины наращенного слоя применяются разные материалы электродов.
Процесс электроимпульсной наплавки в принципе является разновидностью вибродуговой наплавки и состоит из трех (двух) последовательно повторяющихся периодов (рис. 5): короткого замыкания , дугового разряда (горения дуги) Iдр и холостого хода ^ . Период холостого хода может отсутствовать. В период короткого замыкания напряжение между электродом и деталью падает почти до нуля, а ток сварочной цепи увеличивается от нуля до максимального значения, индуктивность накапливает энергию. Для ограничения тока в период короткого замыкания в цепь последовательно включают дополнительную индуктивность (дроссель). За счет тепла, выделяющегося в контакте электрода и детали, происходит их разогрев и оплавление с образованием мостика из жидкого металла между ними.
Жидкий металл перегревается почти мгновенно до температуры кипения, а электрод за счет вращения диска отходит от детали, мостик взрывается, а жидкий металл разбрызгивается. В разрыве возникает электрическая дуга (период дугового разряда). Энергия, запасенная в индуктивно-
сти, начинает освобождаться. Электродвижущая сила (ЭДС) самоиндукции складывается с ЭДС источника тока, вследствие чего напряжение на дуговом разряде превышает напряжение на зажимах источника тока более чем в 2 раза.
А
Ц В 1А
МАЛ кл/
/ "К ч 1 | / / / ) уУ "А
1 2 3 0,01 о 1 с
Рис. 5. Осциллограммы изменения силы тока I и напряжения и в процессе вибродуговой наплавки в период: 1 - короткого замыкания; 2 - дугового разряда; 3 - холостого хода
Несмотря на изменение длины дуги, напряжение остается примерно постоянным. В этот период выделяется 90...95 % тепловой энергии, и кончик электрода оплавляется. При достаточном удалении электрода от детали, а также израсходовании энергии, запасенной дросселем, дуга гаснет. Начинается период холостого хода.
Т а б л и ц а 1
Параметры электродов, применяемых на установке для ЭИМ
№ Материал электродов Режим генератора Частота вращения шпинделя станка, об./мин Подача, мм/об. Скорость продольной подачи, мм/мин Количество проходов Величина наращенного слоя на 0 шейки после обкатывания, мм
1 1 3,71 1,05 3,90 1 0,01-0,02
2 1 3,71 0,95 3,53 1 0,02-0,04
3 12Х18Н10Т 1 2,94 0,95 2,80 1 0,04-0,06
4 1 1,48 1,03 1,22 1 0,06-0,08
5 1,48 1,05 1,55 1 0,08-0,10
6 65Г первый проход 12Х18Н10Т второй проход 2 1 2,94 1,90 0,31 1,04 0,92 1,99 2 0,10-0,20
7 То же 2 1 2,94 2,37 0,31 0,95 0,92 2,26 2 0,20-0,25
8 То же 3 1 1,48 1,90 1,05 1,04 1,55 1,99 2 0,25-0,30
9 То же 3 1 1,48 1,18 0,81 1,02 1,2 1,2 2 0,30-0,40
Период холостого хода при наплавке нежелателен, т. к. в эти моменты происходит охлаждение конца электрода и поверхности детали, что приводит к ухудшению сплавления электродного металла и детали. Поэтому в сварочную цепь вводят дополнительную индуктивность (дроссель) и увеличивают количество электродов в диске для сокращения времени холостого хода.
Благодаря дросселю ограничивается ток в период короткого замыкания, нарастание и убывание тока происходит плавно, уменьшается или устраняется период холостого хода (при этом протекает двухпериодный процесс наплавки) и увеличивается длительность и устойчивость периода дугового разряда при размыкании электродов. Твердость наплавленного слоя зависит от химического состава материала электрода и подачи охлаждающей поверхности и может достигать 45-55 ИИС.
Процесс обычно ведётся при напряжении в дуге 12-18В и силе тока 150-250А. Температура нагрева оси не превышает 80-90 °С. Далее производится шлифование шеек до требуемых размеров.
Процессы переноса металла от электрода к изделию (каплепадение) достаточно полно изложены в работах [4-15], но выводы работ весьма неоднозначны. В работе [4] дан наиболее полный обзор проведенных исследований, но приведенные рекомендации для инженерных расчётов практически неприменимы.
Рассмотрим упрощенно сам процесс переноса металла. Это необходимо для оценки времени процесса и качества сцепления с поверхностью основного металла, т. е. чем меньше переносится металла за одно касанием одним электродом и чем меньше будет шаг перекрытия валика металла, тем качественнее будет наплавленная поверхность, что, в свою очередь, немаловажно для ответственных деталей. Для этого представим упрощенную схему (рис. 6): имеется один пластинчатый электрод и наплавляемая поверхность. В результате импульса тока конец электрода начинает плавиться, и выделяется капля расплавленного металла, которая в дальнейшем переносится на шейку оси колесной пары.
На каплю металла действует система сил:
- сила поверхностного натяжения Fн, которая, в свою очередь, может быть представлена радиальной Fнp и осевой составляющей Ftю ;
- сила тяжести ¥т;
- сила инерции Fu, которая возникает вследствие вращения диска;
- электродинамическая сила Rэд, зависящая
от длины электрода, от тока, протекающего по электроду, и, как следствие, от магнитной индукции, создаваемой вокруг электрода, направлена по радиусу к оси электрода и стремится сжать его.
X
У
I
Рис. 6. Схема образования капли металла на электроде и действующие на нее силы
Машиностроение и машиноведение
У
I
Рис. 7. Система сил, действующих на каплю металла после образования шейки
А I
— I - величина напряженности магнитного поля:
м
В результате дальнейшего «отрыва» капли металла образуется шейка между телом электрода и основной массой капли, поэтому влияние ради-
Т7 зависит от величины тока I и длины проводника
альнои силы поверхностного натяжения гнр ис- ^
(в данном случае электрода Lэ).
ц0 = 4л ■10-7 - магнитная постоянная
ключается (рис. 7).
Используя уравнения динамики, запишем сумму сил на ось У.
- Г - R + ^ + ^ = 0, (1)
но эд т и ' (1)
- ^ -1 ■B • Ь + mk ■ g = а
где R = I ■ Б ■ LЭ ; I - сила тока (А); B - магнитная
индукция
Н
; Ьэ - длина электрода (м);
V А ■ м у
аэ -центробежное ускорение капли (м/с2); g - ускорение силы тяжести (м/с2).
Б = Ц^Ц ■ Н,
(3)
где ц 0
Н_
V А2,
магнитная постоянная; ц - отно-
сительная магнитная проницаемость расплавленного металла (величина безразмерная); Н = —
ь
-нг I; Ц = 1,26 ■ 10-4 - относительная магнитная
(2) проницаемость расплавленного металла.
Преобразуя уравнения (1) - (3), выразим массу капли:
т
(а + g )= I ■ Б ■ L + F ,
\ э ' э но
т, = к
т, = к
I ■ Б ■ Ь + Г
_э но
а + g
э °
I ■ ц■ д„ + Г
0 но
а + g
э
(4)
(5)
(6)
Ускорение электрода зависит от линейной скорости вращения диска и его радиуса:
2
, (7)
V
а = — э R
д
где Яд - радиус электродного диска (м); V — окружная скорость электродного диска (м/с).
2%-Я
V = ■
д
т
г
ш, = к
12-^0 + Рно
Я
+ я
F = а-Б,
но
где а =
.2
- для жидкого металла,
Тогда получим линейную скорость: 2%-Я
V =
(8)
УД = 2 - 3,14-0,1 т " 0,857
= 0,732 (м / с)
где Т =--период вращения (с).
N
Далее выполним расчёт для конкретного процесса наплавки при частоте вращения детали 1,48 об./мин, частоте вращения электродного диска N = 70 об./мин; сечение электрода 2*70 мм; Яд = 100 мм - радиус электродного диска.
Подставив все известные в уравнение (6), можем численно определить массу капли, оставляемой за одно касание на наплавляемой поверхности оси:
ш = ■
= 0,017 г.
Окончательно имеем:
1,26 -10— 4 - 4% -10— 7 - (220)2 + 0,00014 -1,8
(0,732) 0,1
2
+ 9,8
(9)
Время, затраченное на проход вдоль шейки оси длиной Ьш = 160 мм, зависит от перемещения
диска электрода и его линейной скорости V1
= 0,00002 м/с относительно шейки оси, т. е. независимо от длины изношенной части шейки наплавляется вся её длина: Ь
д
Сила поверхностного натяжения находится как произведение коэффициента поверхностного натяжения а на площадь соответствующей поверхности:
(10)
1 = = 0,160
"Р ^ 0,00002 пр
= 8000 с « 2,2 ч.
Определяем шаг наплавки с учетом расположения каждого электрода друг от друга на расстоянии 31,4 мм. Ширина одной капли металла Ьк
определяется исходя из геометрических соображений (рис. 8). Для этого найдем площадь капли:
Б, =
к
ш
к
0,017
Б = 0,002 - 0,07 = 0,00014 м2 -площадь сечения электрода.
Период вращения, в свою очередь, найдем
как т = — = 0,857 с. 70
к Ик Ик -рк 7,850 - 0,15
= 0,014 мм2,
где Ук - объем капли (м ), р к - плотность металла капли (г/ м3).
2
V
Машиностроение и машиноведение
Q77
ЦОбв
Рис. 9. Схема перекрытия наплавляемого валика металла
Определяем радиус капли:
S
Rk=
= 0,066 мм.
л
Отсюда ширина капли:
Ь. = я ■ 2 = 0,132 мм. к к
Окружная скорость оси колесной пары:
V = л ■ й ■ п = 3,14 ■ 129,7 ■ 1,48 = 602 мм/мин, оси
где й = 129,7 мм - диаметр изношенной оси;
п - число оборотов оси колесной пары (об./мин). Имеем, что шаг перекрытия валика металла 31,4
s = ■
= 0,07 мм.
602
Выводы
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
- электроимпульсная наплавка позволяет качественно устранять незначительный износ шейки оси (0,5 мм), из-за которого дальнейшая эксплуатация была бы невозможна;
- наплавленная поверхность по прочности не уступает основному материалу оси. Отсутствие пористости в наплавленном слое достигается за счет перекрытия валика металла примерно наполовину по сравнению со следующей каплей металла;
- износостойкость повышается за счет присадочного электродного материала, что обусловлено легирующими элементами электродов, и отсюда, как следствие, можем в дальнейшем получать требуемую нам поверхностную твёрдость металла, позволяющую неоднократную перепрессовку колёс;
- основной металл шейки оси не успевает нагреваться до температуры, при которой бы в материале происходили структурные изменения,
Получаем, что за одно касание электродом на шейку оси переносится всего 0,017 г. металла. Этим и объясняется долгий процесс электроимпульсной наплавки, но в отличие от других видов данный способ позволяет получать прочную и износостойкую поверхность благодаря легирующим присадкам электродного металла и благодаря тому, что основной металл шейки оси не успевает нагреваться до температуры, при которой бы в материале происходили структурные изменения. Шаг перекрытия валика металла при этом составляет 0,07 мм (рис. 9), то есть перекрывает почти половину предыдущей капли металла.
способные повлечь образование трещин в материале шейки оси и общую деформацию оси;
- минусом данной технологии в силу расчетов является время самого процесса, которое занимает около 4 часов, и повышенный угар электрода за счёт разбрызгивания при его отрыве от оси, составляющий 6-8 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рычков С.П. Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran. M. : ДМК Пресс, 2013.784 с.
2. Восстановление шеек осей вагонных колёсных пар. ТУ 32 ЦВ-ВНИИЖТ - 94/2. М. : Жел-дориздат.
3. Инструкция по сварке и наплавке при ремонте грузовых вагонов. М. : ВНИИЖТ, 2015. 238 с.
4. Семёнов А.П. Моделирование процессов плавления и переноса электродного металла при сварке плавящимся электродом // Математическое моделирование и информационные технологии в
сварке и родственных процессах : материалы седьмой междунар. конф. Киев : Сварка, 2014. 132 с.
5. Воропай Н.М., Колесниченко А.Ф. Моделирование формы капель электродного металла при сварке в защитных газах // Автоматическая сварка. 1979. № 9. С. 27-32.
6. Кр1вцун I.B., Семенов О.П., Демченко В.Ф. До теорп формування крапель електродного ме-талу при дуговому зварюванш плавким електро-дом // Доп. НАНУ. 2011. №. 6. С. 90-96.
7. Финн Р. Равновесные капиллярные поверхности: математическая теория. М. : Мир, 1989. 310 с.
8. Ельцов В.В. Восстановление и упрочнение деталей машин [Электронный ресурс]. Тольятти : Изд-во ТГУ 2015. URL: https://dspace.tltsu.ru/bitstream/123456789/49/1/Eltso v%201-81-13%20-%20eui%20-%20Z.pdf (Дата обращения 24.05.2017).
9. Ли Р.И. Технологии восстановления и упрочнения деталей автотракторной техники. Липецк : Изд-во ЛГТУ, 2014. 379 с.
10. Солодский С.А., Луговцова Н.Ю., Горлов Д.С. Определение энергетических параметров процесса формирования шва при сварке в защитных газах // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 3.
11. Семенов А., Демченко В.Д., Кривцун И. Моделирование процесса формирования капли электродного металла // Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах : материалы V Междунар. конф., Киев, 2010. С. 183-192.
12. Имитационное моделирование особенностей управления переносом капель при сварке с короткими замыканиями / О.Б. Гецкин и др. // Технология машиностроения. 2008. № 10. С. 2529.
13. Карасев М.В., Работинский Д. Н., Соляник
B. В. Сравнительный анализ технологических возможностей новых установок для механизированной сварки плавящим электродом в защитных газах // Сварщик в России. 2006. № 2. С. 33-37.
14. Патон Б. Е., Лебедев А. В. Управление плавлением и переносом электродного металла при сварке в углекислом газе // Автоматическая сварка. 1988. № 11. С. 1-5.
15. Ланкин Ю. Н. Автоматическое управление процессом сварки плавящим электродом в С02 с периодическими замыканиями дугового промежутка (обзор) // Автоматическая сварка. 2007. № 1.
C. 3-10.
