CC BY
97
УДК 658.588.8: 622.23.05
С.И. Тюрин
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЗА СЧЕТ ВНЕДРЕНИЯ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕМОНТА
Жесткие условия эксплуатации горного оборудования вызывают интенсивное изнашивание рабочих поверхностей деталей его основных узлов и механизмов. Огромные габариты, значительная металлоемкость и сложность конструкций горных машин, высокая их стоимость, в том числе и за счет применения специальных износостойких сталей, приводят к необходимости максимального использования ресурса работы каждой детали. В связи с этим вопросы организации качественного ремонта оборудования с применением современных эффективных технологических методов восстановления размеров и геометрических форм изношенных запасных частей для горнодобывающей отрасли являются достаточно актуальными, а затраты на внедрение новых технологий - оправданными, как с технической точки зрения, так и с экономической. Ключевые слова: эксплуатация, горное оборудование, статическая прочность детали, износостойкость, обработка деталей давлением, ремонт сопряжённых деталей.
Эффективный метод повышения эксплуатационных характеристик деталей машин
Повышение сопротивления детали разрушению при различных видах эксплуатационного нагружения может быть достигнуто технологическими методами объемного или поверхностного упрочнения. Объемное упрочнение повышает статическую прочность деталей, у которых рабочие напряжения распределены по сечению более или менее равномерно. Для таких деталей используют высокопрочные стали и сплавы, композиционные материалы, а также применяют объемную термообработку. Однако большинство деталей работает в условиях, при которых эксплуатационная нагрузка (давление, нагрев, действие окружающей среды и т.п.) воспринимается главным образом их поверхностным слоем.
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 5. С. 136-148. © 2016. С.И. Тюрин.
Рис. 1.
Поэтому износостойкость, зарождение и развитие усталостной трещины, возникновение очагов коррозии зависит от сопротивления поверхностного слоя разрушению.
Повышение статической прочности детали для этих условий не всегда эффективно. Например, использование высокопрочных сталей для деталей (ств > 1400—1800 МПа), работающих при переменных нагрузках, ограничиваются их большей чувствительностью к концентрации напряжений и различного рода дефектов поверхности, что приводит к снижению сопротивления усталости (рис. 2), коррозии под напряжением и др.
б,, нгс/т' у.%
100
80
50
40
20
50 90 130 170 210 бе. кгс/нм'
\_I_1_I_I_I_I_к_I_I_/
30 70 110 150 Ш Ц^ ж/нм'
Рис. 2. Зависимость предела выносливости при изгибе от предела прочности 1 и предела текучести 2; зависимость относительного сужения 3 от предела прочности
Для деталей, разрушение которых начинается с поверхности, разработано большое количество методов поверхностного упрочнения, основанных или нанесении покрытий или на изменении состояния (модификации) поверхности.
Влияние качества поверхности на эксплуатационные
свойства деталей машин
Качество поверхности оказывает большое влияние на эксплуатационные свойства деталей машин. Шероховатости, так же как и другие дефекты поверхности, концентрируют напряжение, и ослабляют деталь. Кроме того грубо обработанные детали, больше подвержены коррозии и образованию трещин. По данным академика С.В. Серенсена, предел выносливости деталей из высокопрочной стали с полированными поверхностями на 40% выше, чем у деталей с грубо обработанными поверхностями.
Технологическая сущность, классификация и назначение
ППД
ППД — это обработка деталей давлением (без снятия стружки), при которой пластически деформируется только их поверхностный слой. ППД осуществляется инструментом, деформирующие элементы (ДЭ) которого (шарики, ролики или тела иной конфигурации) взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью по схеме качения, скольжения или внедрения (рис. 3). На этих элементарных схемах или их сочетаниях основаны все методы поверхностной пластической деформации (ППД).
При ППД по схеме качения ДЭ (как правило, ролик или шарик) применяется к поверхности детали с фиксированной силой Р, перемещается относительно нее, совершая при этом вращение вокруг своей оси (см. рис. 3, а). В зоне локального контакта ДЭ с обрабатываемой поверхностью, возникает очаг пластической деформации (далее очаг деформации — ОД), который перемещается вместе с инструментом, благодаря чему поверхностный слой последовательно деформируется на глубину h, равную глубине распространения ОД. Размеры ОД зависят от технологических факторов обработки — силы Р, формы и размеров ДЭ, подачи, твердости обрабатываемого материала и др.
В соответствие с ГОСТ 18296 поверхностное пластическое деформирование при качении инструмента по поверхности деформируемого материала называется накатыванием. В свою очередь, накатывание подразделяется на обкатывание и раскатывание в зависимости от того, какие поверхности обрабатыва-
ются: выпуклые (валы, галтели), плоские или вогнутые (например, отверстия).
Достоинством накатывания является снижение сил трения между ДЭ и обрабатываемым материалом.
К методам ППД, в которых ДЭ работают по схеме скольжения (см. рис. 3, б) относятся выглаживание и дорнование (синонимы: деформирующее протягивание, калибрование). Для этих процессов ДЭ должны изготавливаться из материалов, имеющих высокую твердость (алмаз, твердый сплав и т.п.) и несклонных к адгезионному схватыванию с обработанным материалом. Выглаживание применяется для ППД закаленных сталей и деталей маложестких, т.е., тогда, когда невозможно применить в) внедрение обработку накатыванием. Недостатком выглаживания является низкая производительность и невысокая стойкость инструмента.
Наряду с этими методами в машиностроении существуют большое число методов ППД, основанных на динамическом (ударном) воздействии инструмента на поверхность детали. В этих процессах инструмент внедряется в поверхностный слой детали (см. рис. 3, в) перпендикулярно профилю поверхности или под некоторым углом к ней. Многочисленные удары, наносимые инструментом по детали по заданной программе или хаотично, оставляют на ней большое число локальных пластических отпечатков, которые в результате покрывают (с перекрытием или без него) всю поверхность. Размеры очага деформации зависят от материала детали, размеров и формы инструмента и от энергии удара по поверхности. К методам ударного ППД относятся чеканка, обработка дробью, виброударная, ультразвуковая, центробежно-ударная обработка и др.
При ППД в результате деформированного упрочнения поверхностного слоя, возникновения в нем сжимающих остаточ-
в) 1-1-1-4
Рис. 3. Основные схемы взаимодействия деформирующих элементов (ДЭ) с обрабатываемой поверхностью: а) качения; б) скольжения;
ных напряжений, сглаживание неровностей и улучшение их профиля повышается прочность деталей при переменных нагрузках в 1,5—2,5 раза, а долговечность в 5—10 раз и более.
ППД во многих случаях позволяет также повысить износостойкость, контактную выносливость и другие эксплуатационные характеристики. Эти достоинства ППД сочетаются с технологической надежностью и его экономичностью.
Физические изменения поверхностного слоя
При обработке резанием поверхностный слой металла претерпевает изменения. В тонком поверхностном слое детали возникает наклеп, который по своей структуре и свойствам резко отличается от основного металла. Слой становится более твердым, но менее пластичным. Большей способностью к наклепу обладают пластичные металлы, меньшей — хрупкие. Например, серый чугун почти не подвержен наклепу.
Степень и глубина наклепа при различных способах обработки не одинаковы: при точении наклеп распространяется на глубину до 1 мм, при развертывании — на 0,1—0,2 мм, при шлифовании — на 0,12—0,08 мм.
В наклепанном поверхностном слое металла возникают сжимающие остаточные напряжения, в результате чего значительно повышается износостойкость, коррозионная стойкость и усталостная прочность деталей. Поэтому в машиностроении широко применяются различные методы специальной упрочняющей технологии при помощи наклепа, а именно: обкатка или раскатка роликами, дробеструйная обработка, упрочняющий наклеп с использованием особых приспособлений. Упрочнить поверхностный слой наклепом целесообразно у деталей машин, воспринимающих переменные по величине и направлению нагрузки. Срок службы деталей с искусственно наклепанным поверхностным слоем повышается в несколько раз.
Параметры состояния поверхностного слоя деталей машин
Поверхностный слой детали — это слой, у которого структура, фазовый и химический состав отличаются от основного металла, из которого сделана деталь.
В поверхностном слое (рис. 4) можно выделить следующие основные зоны:
• зону 1 (толщина 1—102 нм) адсорбированных из окружающей среды молекул и атомов органических и неорганических веществ;
• зону 2 (толщина 10—1 мкм) продуктов химического взаимодействия металла с окружающей средой (обычно окислов);
• граничную зону 3 толщиной несколько межатомных расстояний, имеющую иную, чем в объеме, кристаллическую и электронную структуру;
• зону 4 с измененной по сравнению с основным металлом 5 структурой, фазовым и химическим составом, который возникает при изготовлении детали, изменяется в процессе эксплуатации.
Толщина и состояние указанных слоев поверхностного слоя могут изменяться в зависимости от состава материала, метода обработки, условий эксплуатации, который может оцениваться различными методами (химического, физического или механического анализа).
Рис. 4. Схема поверхностного слоя детали
Рис. 5. Профилограммы шероховатости и опорные кривые для поверхностей, обработанных различными методами
Поверхность, обработанная ППД, имеет сглаженный профиль шероховатости, высокую опорную способность, увеличенные радиусы выступов и впадин, пониженный коэффициент концентрации напряжений по впадине, хорошую масло-емкость поверхности (рис. 5).
Упрочнение деталей методом наклепа
Одним из методов повышения прочности и долговечности деталей является упрочнение их поверхностей дробеструйной обработкой, наклепыванием шариками, специальными бойками или обкаткой роликами. При помощи наклепа удается значительно увеличить срок службы деталей при сохранении прежних условий эксплуатации. Существуют данные о том, что дробеструйная обработка повышает долговечность коленчатых валов в 10—30 раз, спиральных пружин — в 3—20 раз, зубчатых передач и валов — в 5—6 раз, сварных соединений — в 3 раза.
Весьма эффективна дробеструйная обработка деталей, поверхности которых имеют следы механической обработки или коррозии. Сущность процесса дробеструйного наклепа заключается в том, что готовая деталь, прошедшая механическую и термическую обработку, подвергается действию потока дроби обычно из отбеленного чугуна. Дробинки, отбрасываемые лопатками быстро вращающегося ротора механического дробе-мета, производит поверхностный наклеп детали. При этом повышается твердость и прочность поверхностного слоя, а также создается благоприятное распределение внутренних напряжений по сечению детали.
Для повышения усталостной прочности деталей наряду с дробеструйной обработкой применяется обкатка их поверхностей стальным закаленным роликом.
В результате обкатки поверхность детали делается более гладкой, что является преимуществом по сравнению с дробеструйной обработкой, но обкатку невозможно применять для изделий сложной конфигурации. Обкатка стальных деталей хорошо отполированным роликом в ряде случаев может заменить шлифовку.
В упрочнителе (рис. 6) для поверхностного наклепа детали используется центробежная сила шариков диаметром 7—12 мм, свободно вмонтированных в радиальные гнезда диска в один или несколько рядов. При вращении диска, шарики под действием центробежной силы занимают крайнее периферийное положение в гнездах, и наносят удары по обрабатываемой детали. На-
Рис. 6. Схема установки шарикового упрочнителя на шлифовальном станке: а) настройка станка для упрочнения наружньх поверхностей; б) настройка станка для упрочнения отверстий; 1 — обрабатываемая деталь; 2 — шарик; 3 — передняя бабка станка; 4 — упрочнитель; 5 — привод упрочнителя; 6 — хомутик; h — натяг
личие поперечной и продольной подач, а также вращение детали позволяет наносить удары каждым шариком по новому месту, чем достигается равномерный наклеп всей обрабатываемой поверхности. Необходимо, чтобы на 1 мм2 обрабатываемой поверхности приходилось от 12 до 70 ударов. Упрочнитель, вращается от отдельного электродвигателя с окружной скоростью 30 м/сек.
В результате наклепывания шариками поверхность с чистотой обработки Ra 5...2,5 — 1,25...2,5 мкм по ГОСТ 2789 приобретает чистоту Ra 0,63...0,32 — 0,16...0,32 мкм, а ее микротвердость возрастает на 30—40%.
Способы восстановления изношенных деталей
Ремонт сопряженных деталей, получивших естественный механический износ, можно производить одним из следующих способов: 1) сваркой; 2) вибродуговой наплавкой; 3) наплавкой твердыми сплавами; 4) металлизацией напылением; 5) металлизацией электролизом; 6) склеиванием; 7) механической обработкой на станках и вручную; 8) электрической обработкой металлов (нагрев токами высокой частоты, электроискровая обработка, анодно-механическая обработка).
Способ ремонта следует выбирать с учетом его технико-экономических показателей, возможности и целесообразности применения.
Одним из самых распространенных способов восстановления деталей горнодобывающего оборудования на ремонтных предприятиях является автоматическая наплавка под слоем флюса (ось центральной цапфы, ведущие валы, натяжные оси и др. детали экскаваторов).
После восстановления деталей с помощью данного способа до чертежных размеров с учетом припуска на обкатку необходимо произвести упрочнение поверхностного слоя детали, так как это позволит снизить остаточные сварочные напряжения, повысить качество шероховатости восстановленной поверхности и увеличить ресурс детали еще на 40—80%.
Режим упрочняющей обкатки крупных деталей
Упрочнение поверхностного слоя валов из углеродистой и легированной стали с помощью ролика нашло широкое применение на железнодорожном транспорте и в горных машинах, как при ремонте, так и при изготовлении запасных частей к данной технике.
Детали с конструктивными концентраторами напряжений (ступенчатые валы и вал-шестерни) разрушаются, как правило, с поверхности. Для таких деталей степень наклепа имеет особенно большое значение.
На рис. 7 приведены графики зависимости эффекта обкатки подступичных частей валов от относительной толщины наклепанного слоя.
Графики показывают, что при высокой степени наклепа высокая эффективность упрочнения достигается при относительно малой толщине наклепанного слоя (кривые 1 и 2, рис. 7). Сравнительно малая эффективность в опытах Н.П. Зобнина кривая 3 объясняется уменьшенной степенью деформации из-за большого (75 мм) радиуса кривизны ролика (ролик сферической формы).
Рис. 7
г '■1
Рис. 8
При упрочняющей обкатке валов относительно небольшого диаметра (до 300 мм) широко используется двух и много роликовые приспособления, позволяющие совместить упрочняющий и чистовой проходы за счет одновременного использования роликов различного профильного радиуса.
На рис. 8 показана одна из конструкций таких устройств созданная в ЦНИИ МПС и применяемая для упрочнения осей железнодорожного подвижного состава.
Приспособление имеет два ролика, один из них 4 свободно вращается на оси, жестко связанной со штоком 6 пневматического или гидравлического цилиндра 7, второй 2 — на оси в откидной дуге 3, шарнирно связанной с корпусом 5.
При движении штока 6 сокращается расстояние между роликами, и деталь зажимается между ними с усилием обкатки. При этом корпус 5 может свободно перемещаться в направляющих 8, закрепленных на задней стороне суппорта станка, обеспечивая самоустановку приспособления относительно обкатываемого вала и одинаковое усилие на обоих роликах. При биении вала корпус 5 при обкатке получает колебательное перемещение в направляющих 8.
В нерабочем положении приспособление дуга 3 свободно откидывается, после чего приспособление не мешает установке и обтачиванию детали. При обкатке, передний конец дуги поддерживается на необходимой высоте специальным упором 1, закрепленном в резцедержателе станка.
Детали прошедшие термическую обработку также могут быть подвергнуты обкатки роликом. Так, например торсионные валы, изготовленные из стали 45ХНМФА и имеющие твердость после термической обработки HRc 40—48 можно обработать роликами
Размеры валов в мм Размеры роликов в мм Усилие обкатки Р в кГ Предел выносливости валов в кГ/мм2 Увеличение за счет обкатки в %
диаметр малой ступени Dd радиус галтели Я диаметр Dр радиус профиля г не-упрочненные обкатанные
17 1 0,06 50,8 1 700 20,8 35,2 68
15 2 0,133 50,8 2 350 28 36,4 30
133 7,15 0,053 87 4,4 680 13 16,8 30
18 0,76 0,042 50,8 0,76 250 14,9 23,4 57
12 0,85 0,071 20 0,85 50 19,5 23,5 20
14 0,8 0,057 18 0,75 500 18 21 17
250 18 29 61
12 0,8 0,066 1,6 0,8 15 18 19 5
шарик 45 18 24 33
30 2 0,066 4 2 150 14 18 29
шарик 250 14 21 50
450 14 26 86
45 2 0,045 3,94 1,97 400 12 21 75
шарик
180 8 0,045 15,86 7,93 6500 13 18,5 42
шарик
с твердостью HRc 62—64 не более 5-ти раз, после чего ролики рекомендуется перешлифовать для восстановления исходного профильного радиуса, обеспечивающего эффективную деформацию поверхностного слоя.
Галтельные переходы валов различного назначения является широко распространенным типом криволинейных поверхностей.
В зоне галтелей усталостная прочность понижена. Обкатка галтелей позволяет повысить усталостную прочность ступенчатых валов из среднеуглеродистой стали на 30—86%. В таблице приведены данные некоторых исследований.
Заключение
Различные методы пластического деформирования поверхностного слоя деталей горнодобывающего и горнотранспортного оборудования позволяет не только повысить их усталостную прочность, но и увеличить коррозионную стойкость. Практические исследования В.Ф. Звягинцева и Г.Г. Лебединского на деталях подвергающихся одновременно: изнашиванию (трению) и знакопеременным нагрузкам, а именно вкладыши дизелей подверженных тонкому раскатыванию шаром, вибронакатыванию, раскатыванию с последующим вибронакатыванием. В этих условиях решающее значение приобретает микрорельеф поверхности вкладыша, определяющий ее прирабатываемость, сопротивление образованию поверхностных дефектов и схватыванию, обеспечивающий целостность масляной пленки. Во всех случаях вибронакатанные вкладыши по сравнению с расточенными качественнее и быстрее прирабатывались, температура в зоне трения с коленчатым валом была на 6—9 °С ниже. Это объясняется увеличенной маслоемкостью вибронакатан-ных поверхностей.
Применение данных технологий не требует серьезных капитальных вложений, и позволяет повысить ресурс горной техники.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шилов П. М. Технология производства и ремонт горных машин. — М.: Недра, 1971. - 384 с.: ил.
2. Браславский В. М. Технология обкатки крупных деталей роликами. 2-е изд. — М.: Машиностроение, 1975. — 160 с.: ил.
3. Смелянский В. М. Механика упрочнения деталей поверхностным деформированием. — М.: Машиностроение, 2002. — 300 с.: ил.
4. Шнейдер Ю. Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. — М.: Машиностроение, 1982. — 247 с.: ил.
5. Усов А. М. Приспособления для упрочняющей накатки деталей // Вестник машиностроения. — 1961. — № 5.
6. ГОСТ 2789-73 Межгосударственный стандарт «Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики». — М.: Стандартинформ 2006.
7. ГОСТ 18296-72 Обработка поверхностным пластическим деформированием. Термины и определения. — М., 1972.
КОРОТКО ОБ АВТОРE
Тюрин Сергей Иванович — заместитель исполнительного директора — Главный инженер ООО «Бородинский РМЗ», e-mail: brmz@suek.ru.
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 5, pp. 136-148.
UDC 658.588.8: 622.23.05
S.I. Tyurin
IMPROVEMENT IN OPERATING EFFICIENCY OF MINING EQUIPMENT BY INTRODUCTION OF NEW REPAIR TECHNIQUES
Severe operating conditions result in intense wear of surfaces of parts composing units and mechanisms of mining equipment. Large sizes, considerable metal consumption and structural complexity of designs of mining machines, as well as their high cost, including special wear-resisting steels, are the reasons to use to the maximum extent the operational life of each part. In connection with this, the issues of quality repair management, with advanced technologies of size and geometry recovery for worn spare parts are the questions of present interest in the mining industry, and the expenditures connected with introduction of the advanced technologies are justified both technically and economically.
Key words: maintenance, mining equipment, static strength, wear resistance, machining of parts with pressure, repair of the associated components.
AUTHOR
Tyurin S.I., Deputy Executive Director — Chief Engineer, LLC Borodinksy Mechanical Repair Factory, 663981, Borodino, Russia, e-mail: brmz@suek.ru.
REFERENCES
1. Shilov P. M. Tekhnologiya proizvodstva i remont gornykh mashin (Manufacturing and repair technique for mining machines), Moscow, Nedra, 1971, 384 p.
2. Braslavskiy V. M. Tekhnologiya obkatki krupnykh detaley rolikami. 2-e izd. (Technology of roller burnishing of large parts, 2nd edition), Moscow, Mashinostroenie, 1975, 160 p.
3. Smelyanskiy V. M. Mekhanika uprochneniya detaley poverkhnostnym deformirovani-em (Mechanics ofreinforcement ofparts by surface deformation), Moscow, Mashinostroe-nie, 2002, 300 p.
4. Shneyder Yu. G. Ekspluatatsionnye svoystva detaley s regulyarnym mikrorel'efom (Service properties of parts with regular microrelief), Moscow, Mashinostroenie, 1982, 247 p.
5. Usov A. M. Vestnik mashinostroeniya. 1961, no 5.
6. Sherokhovatost' poverkhnosti. Parametry i kharakteristiki. GOST 2789-73 (Surface roughness. Parameters and characteristics. State Standart 2789-73), Moscow, Standartin-form, 2006.
7. Obrabotka poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem. Terminy i opredeleniya. GOST 18296-72 (Surface plastic deformation treatment. Terms and definitions. State Standart 18296-72), Moscow, 1972.
