CC BY
47
СУДОСТРОЕНИЕ, СУДОРЕМОНТ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ФЛОТА
УДК 621.002.3(075.8)
В. П. Булгаков, С. С. Уксусов, Л. А. Цапко
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ УЗЛА КРЕПЛЕНИЯ ЧЕРПАКОВ ДНОУГЛУБИТЕЛЬНОГО ЗЕМСНАРЯДА
Ежегодно во время весеннего паводка русла рек и каналов заносятся песком и илом, в связи с чем остро стоит вопрос об их очистке и дноуглублении. Для углубления фарватеров рек и каналов, а также акваторий судоремонтных и судостроительных предприятий служат черпа-ковые земснаряды. Основным элементом земснаряда является черпаковая цепь с черпаками, которые захватывают донные отложения, передают их на транспортер и далее на грузоотвозную шаланду. Черпаки закреплены на цепи с помощью четырех пальцев. Черпаковые пальцы сопрягаются с втулками и запрессовываются в отверстия кронштейнов. Материал втулок и их термообработка такие же, как и для пальцев. Узел крепления черпаков представляет собой шарнирное соединение пальцев и втулок с образованием посадок с зазором в пределах от 1,5 до 4 мм. В такой зазор свободно проникают абразивные частицы любой фракции. В процессе работы земснаряда пальцы и втулки подвергаются интенсивному изнашиванию от взаимного трения через абразивную прослойку, поэтому долговечность этих пальцев и втулок ограничена, как правило, одним сезоном, после чего пальцы и втулки при ремонте заменяют на новые.
Втулки и пальцы получены ковкой заготовок из стали 110Г13, содержащей 0,9-1,3 % углерода и 11,5-14,5 % марганца. Структура этой стали - аустенит и избыточные карбиды (Бе, Мп)3С, выделяющиеся по границам зерен, что снижает прочность и вязкость стали. В связи с этим изделия закаливают с нагревом до 1 100 °С и охлаждением в воде. При таком нагреве растворяются карбиды, и сталь после закалки приобретает более устойчивую аустенитную структуру. Она обладает следующими механическими свойствами: св = 800-1 000 МПа; о0,2 = 250-350 МПа; 5 = 35-45 %; у = 40-50 %. Твердость составляет 180-220 НВ. Сталь с аустенитной структурой характеризуется низким пределом текучести, составляющим примерно одну треть от временного сопротивления, и сильно упрочняется под действием холодной деформации [1].
Нестабильные аустенитные стали, содержащие более 10 % марганца, представляют интерес при сопротивлении макроударному нагружению (кавитационное воздействие, многократный удар). Стали этого типа способны изменять свои свойства при нагружении, в том числе и пластичность, вследствие протекающих превращений структуры.
Сталь 110Г13 обладает высокой износостойкостью только при ударных нагрузках, когда происходит деформационное упрочнение аустенита и образование е-мартенсита с гексональной плотноупакованной решеткой (ГПУ-решеткой). При небольших ударных нагрузках в сочетании с небольшим абразивным изнашиванием либо при чистом абразивном изнашивании мартенсит-ное превращение не протекает, и износостойкость стали 110Г13 невысока.
Втулки и пальцы черпака подвергаются ударно-абразивному изнашиванию, в связи с которым необходимо рассмотреть работоспособность металла в зависимости от трех факторов:
1) внутренних, определяемых свойствами металла и изменением свойств в процессе работы;
2) внешних, характеризующих вид трения, режим работы, скорость перемещения, нагрузку, характер приложения сил;
3) рабочей среды [2].
Второй и третий фактор требуют специального анализа большего количества параметров эксплуатации земснаряда.
Износостойкость стали при абразивном изнашивании пропорциональна твердости: е = в НВ.
Степень развития процессов изнашивания зависит от давления и соотношения твердости материала и абразивных частиц, а в нашем случае - еще и от величины и скорости деформации
металла на контактных поверхностях. Наибольшей износостойкостью обладают стали, структура которых состоит из карбидной фазы и высокопрочной, вязкой матрицы. Для деталей, работающих при больших ударных нагрузках, выбрана сталь 110Г13, т. к. ударные нагрузки приводят к значительной деформации металла, повышают твердость за счет образования мартенсита [3].
При установке втулок и пальцев на черпаки сталь 110Г13 имела твердость 180-220 НВ, структура - аустенит, карбидные и интерметаллидные фазы не наблюдаются.
В процессе ударно-абразивного изнашивания произошло изменение размеров и формы втулок и пальцев - втулки деформированы на 7-10 % при сжатии от контакта и давления пальцев; пальцы претерпевают потерю металла, наплывы металла и деформацию изгиба на 1-3 %. В результате появляется значительный зазор между втулкой и пальцем, что приводит к резкому снижению работоспособности узла и самой черпаковой цепи. Твердость втулки после эксплуатации в зоне деформированного металла составляет 310-380 НВ. При содержании углерода 1,1 % деформация величиной 7-10 % повысила твердость стали с 200 до 380 НВ. Структурные исследования и изучение магнитных характеристик показали, что деформационное упрочнение стали не связано с образованием мартенситных фаз. Углерод стабилизирует аустенит, снижает мартенситную точку Мн - начало мартенситного превращения, и упрочнение происходит за счет повышения плотности дислокаций. Мартенсит может образоваться только при высоких степенях деформации (более 20 %) [4]. Фактическое упрочнение втулки проявилось только в конце срока эксплуатации, когда втулка заметно деформировалась от рабочих напряжений.
При ударно-абразивном изнашивании втулок и пальцев черпаков в полной мере реализуются все вредные факторы: толщина абразивного слоя, энергия удара, низкие прочностные свойства металла и совершенно не реализуются высокая ударная вязкость и возможность повышения твердости от ударных нагрузок. Повышение долговечности узла крепления черпаков дноуглубительного земснаряда требует значительного повышения первоначальной твердости поверхности втулок и пальцев до 380 НВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.
2. АрзамасовБ. М., СидоринИ. И., КосолаповГ. Ф. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1986. - 384 с.
3. Богачев И. Н., Еголаев В. Ф. Структура и свойства железомарганцевых сплавов. - М.: Металлургия, 1973. - 295 с.
4. Виноградов В. Н., Сорокин Г. М., Албагачиев А. Ю. Изнашивание при ударе. - М.: Машиностроение, 1982. - 192 с.
Статья поступила в редакцию 13.07.2010
INCREASE OF DURABILITY OF FITTING OF DREDGING SCOOP ATTACHMENT
V. P. Bulgakov, S. S. Uksusov, L. A. Tsapko
The wearing process of fitting of attachment of dredging scoops from steel 11003 at shock-abrasive influence is connected with low mechanical characteristics of metal which slightly increase at operation. Durability rise provides increase in initial hardness of bushings and pins from 200 to 380 EE.
Key words: durability, dredger, steel, shock-abrasive deterioration, mechanical properties, hardness.
