CC BY
69
УДК 621.797: 629.114.41
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МЕХАНИЗМОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И ПЕРЕМЕШИВАНИЯ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ*
М.Г. КУРБАНОВА, доктор технических наук, зав. кафедрой
А.П. ЧЕРНЫШ, кандидат технических наук, зав. кафедрой
О.В. САНКИНА, кандидат технических наук, доцент
О.Н. БУЗИЯН, старший преподаватель Кемеровский ГСХИ E-mail: tmrm@mail.ru
Резюме. Исследования проводили влабораторияхкафедр технологии металлов и ремонта машин, технологии хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Кемеровского ГСХИ с целью выбора оптимального способа упрочнения функциональных поверхностей рабочих органов механизмов измельчения и перемешивания биогазовой установки с применением дешевых износостойких покрытий. Методом формирования технологических ремонтных блоков (ТРБ) в качестве оптимального способа нанесения покрытия была выбрана электроискровая обработка белым нелегированным чугуном, который включает контактную обработку вращающимся электродом с непрерывным удалением дефектного слоя с рабочей поверхности электрода. При нанесении износостойкого покрытия таким способом время обработки сокращается на 15...20 %. Упрочнение функциональных поверхностей рабочих органов биогазовой установки путем электроискровой наплавки термоциклированным нелегированным белым чугуном повышает работоспособность функциональных поверхностей рабочих органов, в сопоставлении с основным материалом без упрочнения, на 30 %.
Ключевые слова: биогазовая установка, технологический ремонтный блок, белый нелегированный чугун, электроискровая наплавка, износостойкость, долговечность, функциональные поверхности.
Обеспечение высокой надежности функциональных узлов и рабочих органов машин и оборудования АПК -важная задача, определяющая спрос на современном рынке. Одно из значимых свойств, оказывающих влияние на ресурс изделий, - износостойкость поверхностей, работающих в условиях абразивного износа и химически агрессивных сред. Ее повышение возможно путем изготовления рабочих органов, испытывающих такое воздействие, из дорогостоящих материалов и сплавов, либо путем их нанесения на рабочие поверхности. При применении более дешевых материалов, например, нелегированного чугуна, в процессе наплавки часть углерода выделяется в свободном состоянии, резко понижая при этом прочность и износостойкость слоя.
Цель наших исследований - обоснование оптимального способа упрочнения функциональных поверхностей рабочих органов механизмов измельчения и перемешивания биогазовой установки с применением дешевых износостойких покрытий.
Условия, материалы и методы. Исследования проводили в лабораториях кафедр технологии металлов и ремонта машин и технологии хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Кемеровского ГСХИ.
* Исследования выполнены в рамках научного исследования по гранту Министерства образования и науки РФ (гос. контракт № 11.519.11.2007 от 18.08.2011 г.)
В качестве объекта исследования были выбраны рабочие органы установки для переработки органического сырья (биогазовая установка) [1, 2], в частности система подачи исходного сырья с механизмами измельчения и перемешивания (рис. 1), которые работают в условиях высокой абразивной нагрузки и агрессивной среды.
Выбор способа упрочнения рабочих органов механизмов измельчения и перемешивания был основан на реализации технологических ремонтных блоков (ТРБ) [3] и заключался в систематизации и логической увязке идентифицированных функциональных модулей поверхностей установки, условий ее эксплуатации, методов упрочнения, технологических средств и выборе оптимальных их сочетаний.
При проведении сравнительных испытаний в качестве эталонного образца использовали сталь 55, наплавленную сормайтом, который чаще всего применяют в производстве. В экспериментальных вариантах осуществляли наплавку белым нелегированным чугуном [4] в различных режимах: и=40 В, 1=55 А, 290 об/мин.; и=40 В, 1=50 А, 141 об/мин.; и=30 В, 1=45 А, 290 об/мин.; и=40 В, 1=50 А, 240 об/мин. При расчете экономической эффективности стоимость материалов брали в ценах 2010 г.: сормайт 200 тыс. руб./т, белый нелегированный чугун - 40 тыс. руб./т.
Проверку износостойкости наплавленного слоя проводили в лабораторных испытаниях, согласно ГОСТ 23.208-79 [5]. Для этого после определенной наработки механизмов (10, 20, 30, 50 ч) осуществляли замер геометрических параметров рабочих органов и сравнивали их с исходными.
Результаты и обсуждение. В качестве оптимального способа упрочнения рабочих органов механизмов измельчения и перемешивания предложено использовать электроискровую наплавку [6], которая включает контактную обработку вращающимся электродом. При нанесении износостойкого покрытия таким способом время обработки сократилось на 15.. .20 %. В результате лабораторных испытаний долговечность обработанных деталей возросла в среднем на 30 %. Сравнительный анализ показал, что износостойкость наплавленного слоя, нанесенного белым нелегированным чугуном, примерно такая же, как и у слоя, полученного с применением твердого сплава типа сормайт (рис. 2).
Рис. 1. Схема рабочих органов системы подачи исходного сырья биогазовой установки: 1 - приемная воронка; 2 - механизм измельчения, 3 - механизм перемешивания; 4 - система подогрева.
Рис. 2. Сравнительная износостойкость эталонного и наплавленных образцов по различным режимам.
Металлографический анализ наплавленного слоя образцов выявил микроструктуру белого чугуна и показал отсутствие выделений графита. При этом наблюдается зона сцепления (примерно 1...2 мм). При упрочнении твердым сплавом сормайт она отсутствует, что ведет к выкрашиванию наплавленного слоя. В то же время в основном металле нет структуры перегрева, что свидетельствует о снижении опасности разрушения упрочненного изделия. При подборе оптимальных режимов наплавки зона сцепления в слоях, полученных
с помощью электродов из нелегированного белого чугуна, составила 2.4 мм.
При более подробном изучении микроструктур также четко прослеживается наличие трех зон: структура стали 55, переходная зона, зона наплавленного металла. В основном металле рост «зерна» не наблюдается.
Результаты замера твердости [7] после наплавки рабочих органов механизмов измельчения и перемешивания свидетельствуют:
при увеличении числа оборотов со 111 до 890 об/мин (при 11=40 В, 1=45 А) наблюдается повышение твердости наплавленного слоя, но происходит ее резкое снижение в переходном слое;
при высоких скоростях вращения электрода наплавленный слой получается примерно равным 0,8 мм, а при более низких он формируется неравномерным, что требует дополнительного нанесения;
при увеличении числа проходов наблюдается увеличение толщины зоны сцепления и зоны наплавленного металла.
Эксплуатация упрочненных рабочих органов механизмов измельчения и перемешивания показала, что функциональные поверхности работают в нежестко закрепленной абразивной среде на 25.30 % дольше, чем изделия без предварительной обработки. В то же время, упрочнение нелегированным белым чугуном экономически выгоднее, так как его стоимость в 2-2,5 раза ниже, чем при использовании высоколегированных сплавов.
Выводы. Упрочнение функциональных поверхностей рабочих органов биогазовой установки путем электроискровой наплавки термоциклированным нелегированным белым чугуном обеспечивает повышение их износостойкости на 30 %, что соизмеримо с наплавкой или изготовлением из высоколегированных сплавов типа сормайт. При этом себестоимость обработки снижается в 2-2,5 раза.
Литература.
1. Заявка на изобр. № 2012130225/05 (047494) яи 2012130225. Установка для переработки органического сырья / В.И. Мяленко, М.Г. Курбанова, О.Н. Бузиян, А.П. Черныш, И.А. Ганиева, З.В. Гаазе (Ш). - №; Заявл. 16.07.12.
2. Исследование отходов сельскохозяйственных животных и разработка технологии получения биогаза с использованием органических катализаторов для регионов с холодным климатом. Этап №3: Разработка и исследование технологических режимов работы биогазовых установок с применением катализатора для регионов с холодным климатом: Отчет о НИР (про-межуточ.) / Государственный контракт от 18.08.2011 г. № 11.519.11.2007 в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»; Руководитель М.Г. Курбанова; Соисполн. О.Н. Бузиян, И.А. Ганиева, А.П. Черныш и др. - Кемерово, 2012. - 139 с.
3. Пат. 2333088 Ш, МПК С2 В23Р 6/00. Способ формирования технологического ремонтного блока / Б.И. Коган,
A.П. Черныш, (Ш). - № 2006129964/02; Заявл. 18.08.2006; Опубл. 27.02.08, Бюл. № 25.
4. Чугун: пат. 2306353 Рос. Федерация: МПК С 21 D 5/02/ В.К. Афанасьев, М.В. Чибряков, О.В. Корнева (О.В. Санкина),
B.Н. Толстогузов, М.В. Масляев; заявитель и патентообладатель Сиб. гос. индустр. ун-т. - № 2006113298; заявл. 19. 04. 2006; опубл. 20.09.2007, Бюл. № 26, 2007 - 3 с.
5. ГОСТ 23.208-79 Обеспеченность износостойкости изделий. Метод испытания материалов на износостойкость при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы.
6. Санкина О. В. Формирование структуры и свойств при нанесении на сталь износостойкого слоя нелегированного белого чугуна: диссертация... кандидата технических наук: 05.16.01. - Кемерово, 2010. - 146 с.
7. ГОСТ 9013-59. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу.
INCREASE IN THE WEAR RESISTANCE OF WORKING TOOLS FUNCTIONAL SURFACES OF CRUSHING AND MIXING MECHANISMS OF BIOGAS UNIT M.G. Kurbanova, A.P. Chernysh, O.V. Sankina, O.N. Buziyan
Summary. In article as object of increase of wear resistance the biogas installation developed by authors, namely working bodies of mechanisms of crushing and hashing is chosen. Researches were conducted in laboratories of technology of metals and repair of cars and technology of storage and processing of agricultural production of the Kemerovo state agricultural institute. Research objective is the choice of the most optimum way of hardening of functional surfaces of working bodies of mechanisms of crushing and hashing of biogas installation with application of cheap wearproof coverings. Justification of a choice of a method to put of covering was application of a way of formation of the technological repair blocks (TRB) which allowed to execute electric spark processing by the white unalloyed cast iron. This way includes contact processing by a rotating electrode. In the course of drawing a covering continuous removal of a defective layer from a working surface of a rotating electrode is carried out. When drawing a wearproof covering on this way time of processing was reduced by 15-20%. The conducted researches showed that the most optimum and low-cost way of hardening of functional surfaces of working bodies of biogas installation is the electric spark processing the thermalcycle with the white unalloyed cast iron. Operability of functional surfaces of working bodies increased by 30% in comparison to the main material without hardening.
Keywords: biogas plant, technological repair unit, white unalloyed cast iron, electric spark welding, durability, longevity, functional surfaces.
