Повышение эксплуатационной надежности заправочных систем смазочными маслами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 539.4

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ЗАПРАВОЧНЫХ СИСТЕМ СМАЗОЧНЫМИ МАСЛАМИ

Д.У. ДУМБОЛОВ, к.т. н., доцент

Д.И. ОВЧИНИН, к.т .н., доцент,

Р.М. ДОЛГОВ, аспирант

ФАУ «25 ГосНИИхиммотологии Минобороны России»,

С.В. СЕРЕДА,

ООО «НИИ ТНН» г. Москва E-mail:ddu-1967@yandex.ru

Предлагается метод обработки поверхности металлических изделий, позволяющий оптимизировать режим, т.е. добиться максимальной интенсивности упрочнения и твердости поверхности и решающий задачу повышения износостойкости и прочности угловых соединений, с уменьшением уровня шумов при работе в упрочненных кинематических парах за счет создания микрорельефа при пластическом деформировании максимальной площади поверхности деталей.

Ключевые слова: металлические изделия, упрочнение, износостойкость, кинематическая пара, микрорельеф, пластическое деформирование.

It is offered allowing to optimize a method of processing of a surface of metal products a mode, that is to achieve the maximal intensity of hardening and hardness of a surface and solving a problem of increase of wear resistance and durability of angular connections, with reduction of a level of noise at work in the strengthened kinematic pairs due to creation of a microrelief at plastic deformation of the maximal area of a surface of details.

Keywords: metal products, wear resistance, kinematic pair, hardening, plastic deformation.

Одним из главных условий обеспечения высокой эксплуатационной надежности корпусных и других деталей шнекового насоса является исключение внезапных отказов, в том числе вызванных хрупким разрушением. Отличительной особенностью хрупкого разрушения является возникновение очага разрушения при малой степени деформации и быстрое его распространение.

При эксплуатации шнековых насосов, шнек находится в напряженно-деформированном состоянии, особенно при переходных процессах, связанных с большим пусковым моментом. В такие моменты возможны разрывы сварных и других напряженно-деформированных участков шнека, обусловленных процессами потерь прочности основными конструктивными элементами шнекового насоса, связанных с деградацией структуры металлов и сплавов, из которых они изготовлены.

Вероятность хрупкого разрушения деталей шнека повышается при высоком уровне напряжений (в зонах конструктивных и технологических концентраторов напряжений, с повышением скорости нагружения).

Особую опасность с точки зрения хрупкого разрушения представляют сварные соединения, обладающие значительной дефектностью. Местные пространственные искажения зоны сварного шва под влиянием сварки плавлением приводят к возникновению остаточных напряжений, достигающих часто предела текучести материала. Такие высокие напряжения независимо от приложенных внешних напряжений или в сумме с ними могут приводить к возникновению нестабильного развития трещины. Кроме того, термические и деформационные циклы, вызванные сваркой, могут привести к значительному охрупчиванию материала в околошовной зоне.

Быстрое макрохрупкое разрушение характеризуется нестабильным распространением трещины в конструкции. Если трещина начала увеличиваться, то система действующих напряжений способствует ее ускоренному росту. При этом хрупкое разрушение почти всегда вызвано приложенными напряжениями, которые меньше, чем рассчитанные с учётом соответствующих правил проектирования и коэффициентов запаса. Это обстоятельство привело к общему описанию таких разрушений, как хрупкие, т.е. таких, при которых нестабильный (или неуправляемый) рост трещин происходит при напряжениях, меньших предела текучести.

Требования к вязкости материала должны предотвратить возможность хрупкого разрушения от наибольшего дефекта при заданном уровне рабочих напряжений. Действующие рабочие напряжения в корпусных деталях складываются из напряжений от гидростатического давления, от крутящего момента, передающегося на сварные швы, а также от любых дополнительных концентраторов напряжений (включая металлургические дефекты).

Для исключения случаев хрупкого разрушения сварных швов шнека, до широкого внедрения в практику проектирования, производства и эксплуатации шнековых насосов численных

расчетно-экспериментальных методов, а также соответствующих методов неразрушающего контроля с высокой решающей способностью можно рекомендовать следующие мероприятия:

1. При конструировании по возможности стараться избегать резких переходов, острых углов, кромок и других концентраторов напряжений. Не допускать расположения сварных швов около конструктивных концентраторов напряжений.

2. Сварные конструкции должны обязательно подвергаться термообработке по соответствующим режимам с целью снятия внутренних напряжений и стабилизации структуры шва и околошовной зоны.

3. Применять материалы для соединений с большим значением коэффициента интенсивности напряжения.

4. Применять металлы и сплавы, а также соответствующие технологии формирования деталей шнека, исключающие существование в процессе эксплуатации любых форм их структурной нестабильности.

5. Применяемые материалы для деталей шнеко-вого насоса должны иметь ограничения по металлургическим дефектам, что достигается применением рафинированных сталей и сплавов (вакуумно-дуговой, вакуумно-индукционный, электрошлаковый переплавы). Материалы должны проходить входной контроль.

При исключении возможности проявления хрупкого разрушения, а, следовательно, и вероятности возникновения внезапного отказа, долговечность корпусных и других объемно-напряженных элементов шнекового насоса будет зависеть от деградации структуры металлов. Этот процесс представляет собой следующую причинно-следственную цепь: зарождение микротрещин, их рост, образование и рост магистральной трещины до критического состояния, разрушение. Эти процессы по сопоставлению различных режимов эксплуатации шнекового насоса могут происходить под действием статистических, динамических (вибрация, соударения деталей), циклических (пульсации давления, пуски-остановки системы) нагрузок. Циклический режим работы является превалирующим для большинства деталей шнекового насоса.

Исходя из рекомендаций по конструированию и производству различного технологического оборудования различных заправочных систем и принимая во внимание, что одним из важнейших вопросов, стоящих перед промышленностью является увеличение срока эксплуатации деталей и агрегатов различных технических средств, авторами разработана новая технология упрочнения поверхности металлических изделий на основе насыщения металлов легирующими компонентами.

Предлагаемый процесс обработки поверхности металлических изделий заключается в насыщении легирующим элементом поверхности детали с помощью ультразвукового поля, создаваемого в рабочей каме-

ре при колебаниях ее стенки с заданной амплитудой смещения, осуществляемое общей массой стальных

шариков:

1 V - V, М =-■ 1 2

5 т

Б, Б,

К

к

к

-+... +■

2

ъ

к,.

(1)

где V1 — объём рабочей камеры; V2 — объём части изделия, находящейся в камере; - амплитуда смещения стенки камеры; D1,D2,Di — диаметр стальных шариков; = (1,7 ... 2,3)102 см3/г — коэффициенты пропорциональности.

Масса одного типоразмера шариков определяется как:

=

' В ^

г — 1

3

Бг

М

(2)

где I — номер применяемого типоразмера шариков (¿^1), при этом D1 ^2> ... >Di .

В рабочую камеру помещают порошок легирующего вещества (карбонил молибдена или дисульфид молибдена) массой:

2 2 2 2 3 (Р , + Р 2 + ... + Р : ) I Р , т = 4(102- 103) • М —Л-\- . х

3 3 3

(Р13 + Р 2 + ... + Р3 )р о

(3)

х М тл/ 2 Ро/3°0,2

где d — средний диаметр частиц порошка; р1 и р0— плотности соответственно материалов порошка и шариков; f0 — частота колебаний; о02 — предел текучести материала изделия [1].

Обработку осуществляют одновременно шариками и частицами порошка, а заканчивают ее по истечении времени:

з (^ о + ^ 1) ь а р !

обр

= 1,7(10 - 10 )

/ о ^

(4)

где — внутренняя площадь камеры; 51 — площадь поверхности изделия; L — максимальное расстояние от стенки камеры до изделия.

Предлагаемый метод обработки позволяет оптимизировать режим, т.е. добиться максимальной интенсивности упрочнения и твердости поверхности и решает задачу повышения износостойкости и прочности угловых соединений, с уменьшением уровня шумов при работе в упрочненных кинематических парах за счет создания микрорельефа при пластическом деформировании максимальной площади поверхности деталей. Окончание обработки по истечении заданного времени, одновременного деформирования и диффузионного массопереноса в поверхностный слой атомов легирующего вещества (карбонил молибдена или дисульфид молибдена) осуществляется одновременно шариками и частицами порошка.

В процессе обработки возможен подогрев среды рабочей камеры путем поддува в неё нагретого газа.

Сущность обработки детали поясняется чертежом

+

т

Тобр

+ 5!) 1Ь

(5)

0/ 3°0,2

Рис. 1. Установка для упрочнения металлических изделий:

1 — магнитострикционный ультразвуковой преобразователь;

2 — ступенчатый концентратор; 3 — рабочая камера; 4 — изделие; 5 — стальные шарики; 6 — частицы порошка

(рис. 1) для осуществления предлагаемого способа.

При возбуждении колебаний торца концентратора при амплитудах смещения, в рабочей камере возникают мощные радиационные давления и акустические потоки, которые поднимают частицы порошка и стальные шарики. Касаясь колеблющейся стенки волновода, частицы и стальные шарики получают скорость и затем ударяют по обрабатываемой поверхности изделия. При ударах шариков различного диаметра, под которыми в это время находятся частицы порошка, по поверхности происходит диффузионный массоперенос атомов порошка в поверхностный слой изделия равномерно по всей поверхности, в данном случае, одновременно, молибдена и углерода, создавая микрорельеф даже в труднодоступных местах, особенно в местах сочленения деталей под различными углами. Диффузионный массоперенос атомов обусловлен двумя причинами: с одной стороны при ударах шариков выделяется тепло в локальных местах и образуется большой градиент температур, что значительно ускоряет диффузию; с другой стороны при ударах образуются большие акустические давления в материале изделия, что также приводит к значительному ускорению диффузии.

Установлено, что для того чтобы под каждым ударом шарика оказывалось достаточное число частиц порошка, необходимо, чтобы за время обработки тобр частицы порошка покрыли поверхность 103-104 раз. Время такой обработки определено по переходному процессу или по формуле (4).

Если обработку осуществлять в течение времени меньшего, чем рассчитанного по формуле (4), то недостаточное число частиц порошка проникает в поверхностный слой и износостойкость поверхности будет низкой. Если же время обработки будет больше, чем по (4), то происходит перенаклеп (шелушение) поверхности и износ резко увеличится.

Время, за которое шарики полностью пластически продеформируют всю обрабатываемую поверхность и создадут необходимый микрорельеф, установлено авторами в виде:

2 2 2 2-22 I

16(Д1 + ^2+ ... + Бг)/о \ т п п^2р

где п — общее число шариков.

Из (4) и (5) и, учитывая, что масса шариков а также то, что время покрытия порошком поверхности 103-104 раз и время её пластической деформации должны быть равны, то получим соотношение между массой порошка и массой шариков в виде (3).

Если масса порошка будет меньше величины, определенной по (3), то поверхность недостаточно плотно покроется порошком, концентрация атомов в поверхностном слое будет недостаточной и износостойкость уменьшится. Если же масса порошка будет больше величины, определенной по (3), то частицы порошка будут покрывать плотным слоем поверхность изделия и демпфировать удары шариков, вследствие чего не будет достаточной пластической деформации и проникновения атомов порошка вглубь поверхностного слоя, что, в конечном счете, приводит к уменьшению износостойкости. Соблюдение условий, определенных выражениями (1),(3) и (5), т.е. общей массы шариков, массы порошка и выбор времени обработки позволяет получить требуемое качество поверхности, при этом существенно повысить ее износостойкость.

Выбор порошков дисульфида молибдена для насыщения поверхности обусловлено их достаточно хорошими свойствами, высокой температурной устойчивостью и благоприятным влиянием молибдена в сочетании с углеродом на структуру, механические и эксплуатационные характеристики металлов [2,3].

Процесс обработки поверхности является гетерогенным, т.е. происходящим в различных соприкасающихся фазах, отдаленных друг от друга поверхностью раздела и протекает многостадийно, по мере накопления атомов диффундирующего элемента на поверхности насыщения детали.

Приток активных атомов на поверхности насыщения должен превышать число атомов, отводимых от поверхности вглубь в результате диффузии. В этих случаях, когда процесс протекает многостадийно, его суммарная скорость определяется скоростью наиболее медленной стадии, которая является контролирующей. При протекании процесса обработки в большинстве случаев скорость процесса контролируется диффузией. При описании диффузии в твердом кристаллическом теле пользуются законами Фика. Математическое выражение первого закона Фика, описывающего диффузию в твердом теле, рассматривает диффузию как непрерывный поток атомов вещества dm через изотропный слой определенной толщины и поперечного сечения df в течение определенного времени dt:

йе йх

йт = - Б^г-й/й т ,

(6)

где D — коэффициент диффузии; dc — градиент концентрации вдоль направления диффузии.

Согласно этой формуле, количество продиффун-дированного вещества (карбонил молибдена или дисульфид молибдена) прямо пропорционально площади поперечного сечения, градиенту концентрации вдоль направления диффузии и времени.

Первый закон Фика описывает стационарное состояние диффузионного потока, когда концентрация в любой точке не изменяется со временем. При нестационарном потоке, когда концентрация в любой точке изменяется во времени, справедлив второй закон Фика, который для случая независимости коэффициента диффузии от концентрации имеет вид:

й = °

л2 й с

йх

(7)

Это уравнение может быть решено для определенных граничных условий. Если концентрация на поверхности детали постоянная, то концентрация с(х^) в любой точке со временем изменяется в соответствии с выражением:

х

с (х, /) = Со гт/е

2л/ Б1

(8)

которое является решением уравнения (5) и в котором:

вт/е

\ г

= 1 - вг/

у2У т ,

2 л/ Ы

(9)

Функция гг/\

представляет собой инте-

Л^БТ)

грал ошибок Гаусса, значения которого приводятся в таблицах.

Глубина проникновения диффундирующего вещества пропорциональна^Ш , её можно считать бесконечной, в противном случае нужно пользоваться другим решением, учитывающим конечность образца.

Таким образом, из уравнения (7) видно, что единственным значением, от которого зависит концентрация вещества в той или иной точке, является коэффициент диффузии.

Закон влияние температуры на коэффициент диффузии был вначале установлен экспериментально (закон Аррениуса), а затем обоснован теоретически с помощью атомной теории диффузии и описывается формулой:

(10)

Б = Б о ехр I -

ЯТ

где D0 — предэкспоненциальный множитель; Е — энергия активации; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура.

Коэффициент диффузии существенно зависит от материала, в котором идет диффузия, его состояния, наличие дефектов (избыточных вакансий, дислокаций, величины зерна и пр.). На границах зерен и фаз происходит нарушение правильного порядка в

расположении атомов, и это можно тоже рассматривать как дефекты структуры, влияющие на коэффициент диффузии. Граница зерна в модели Фишера это однородная изотропная пластина шириной 8, расположенная между двумя полубесконечными зернами перпендикулярно поверхности (рис. 2).

Распределение диффундирующего вещества определяется обычным уравнением диффузии: / 2 ,2 N

йс Ж

= Б

й с йх 2

й с йу 2

(11)

где х, у — координаты движущегося вещества с начальными и конечными граничными условиями:

с ^ = 0) = 0, с (у = 0)= с с

X =

=с

(12)

где 8 - ширина обрабатываемой детали.

В уравнении (12) = с^у^) — концентрация на границе зерна в глубине «у» в момент времени t. Ее можно найти из уравнения баланса веществ на границе зерна:

йс ,й2 с 2 —* = Б --+ — Б

сг

Су'

5

сс йх

5

х = — 2

(13)

Система уравнений (11) и (13) называется математической моделью Фишера. Для решения этой системы Фишер сделал ряд предположений:

1. Ширина границы 8 << ^Ш, или, другими словами, ширина диффузионного «клина» много больше ширины границы зерна. Это неравенство в свою очередь вносит упрощение в систему Фишера и позволяет заменять в уравнениях (12) и (13) граничное условие при х=8/2 на условие при х=0, а также пренебречь числом, стоящим в левой части уравнения (13), ввиду его малой величины:

йсв

йх ~

2 йс 2 с ,

й~Б-= Б-

5 йх ЛБХ

2 лГБ 5

—<<

йс^ йх

(14)

2. При Фишер пренебрег членом

ау2

а 2с

по сравнению с —^

ах

ЛХХУУОО ЛЧЧЧЧЧУ -\W\WV

Б

8

У

Б'

Б

Рис. 2. Модель Фишера зернограничной диффузии

+

х

х

X

с

5

X

с

X

3. В условиях е(х=0) =е , при решении уравнения (11) Фишер пренебрег изменением от времени.

С учётом приведённых выше упрощений исходная система уравнений разбивается на два независимых уравнения:

йс

dt

D

d 2 c

dx

2

, d2cs

D

c (t =0) =0, c(x =0) = c = const,

= 0 ,

dy

2

2 f dc Л + — D

5

dx

(15)

(16)

x = 0

cs =(y = 0) = c0 .

Решение уравнения (15) имеет обычный вид задачи диффузии в полубесконечный образец с постоянной концентрацией на поверхности:

с = с erfc (х /

(17)

Откуда

dcs

dx

7 x=0

л/п Dt

(18)

Следуя Фишеру, авторы получили в явном виде выражение для глубины проникновения вещества по границе. Как видно из этого выражения Lг ~ ¿1/4, а не ¿1/2, как для объемной диффузии.

Таким образом, можно предположить, что предварительное насыщения поверхностного слоя обрабатываемой детали, вследствие значительного вклада граничной диффузии в общей диффузионный процесс, будет способствовать увеличению толщины диффузионного слоя. Поскольку границы зерен к тому же являются основными поставщиками вакансий в металлах, измельчение зерна должно приводить к увеличению числа вакансий и облегчить диффузию в объеме зерна.

Предложенный способ позволяет в зависимости от размеров изделия, свойств его материала, размеров тел, акустических параметров отдельных элементов заправочных систем определять режимы, время обработки, массу загружаемого порошка и какое расстояние должно быть от обрабатываемой детали до элемента насыщения. Обработка, при определенных таким образом режимах, позволяет получить оптимальные свойства изделия и повысить его эксплуатационную надёжность.

Подставляя это выражение в (16), получим

2 VD (19)

D'

d V

С = 0 ,

dy2 5 Л[Ш Решение этого уравнения можно представить в

виде:

cs = c0 exp

У__

L-,

(20)

где L - путь, пройденный диффундирующим элементом по границе зерна упрочняемой детали:

1/2

Ьг =(SD'^jnr /2лТо ) .

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пат. 2287020 РФ, 2006. Способ упрочнения поверхности металлических изделий // Д.У.Думболов, В.В.Васильев, В.Ф.Слезка, В.В.Варнаков. Опубл. в БИ № 31, 2006.

2. Думболов Д.У., Васильев В.В., Слезка В.Ф. К вопросу упрочнения поверхности металлических изделий средств заправки, перекачки и транспортирования // Современные научно-технические проблемы транспорта: Материалы III международной научно-технической конференции. — Ульяновск: УлГТУ, 2005. — С. 98-101.

3. Думболов Д.У., Васильев В.В., Слезка В.Ф. Способ упрочнения поверхности металлических изделий // Научно-технический сборник. — Ульяновск: УВВТУ, 2005. — № 37. — С. 81-86.

c

s

+

ПОДПИСКА

на научно-информационный сборник «Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья»

Подписка осуществляется через Агентство «Роспечать» по каталогу «Издания органов НТИ» в местных почтовых отделениях.

• Подписной индекс 58752.

Периодичность издания — 4 раза в год. Формат издания А4; объем — 48 стр.

• Каталожная цена за полугодие 1580 руб. 00 коп. В любое время можно подписаться непосредственно в редакции.

Можно приобрести комплекты и отдельные номера журналов, изданные ранее.

• Телефон для справок: +7 926-460-88-24 www.thnp.ru-mail:chranenie@rambler.ru