CC BY
134
УДК 621.785
ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТАЛЕЙ ГИДРОПЕРЕДАЧ
В.А. Карпенко, профессор, д.т.н., Д.Б. Глушкова, доцент, к.т.н., А.Г. Аврунин, доцент, к.т.н., ХНАДУ, Ю.В. Рыжков, инженер,
ХНАДУ
Аннотация. Установлено, что улучшение комплекса свойств деталей машин достигается за счет применения порошковой быстрорежущей стали (износостойкость повышается в 1,2 раза), керамических материалов (износостойкость повышается в 2 раза). Наибольший эффект был получен за счет нанесения на шары ионно-плазменного покрытия. Износостойкость выросла в 2,3 раза. Нанесение ионно-плазменного покрытия TiCrN методом КИБ на поверхность шарика-поршня является эффективным методом повышения эксплуатационной стойкости деталей гидропривода.
Ключевые слова: покрытие, плазма, износостойкость, гидропередача, гидромашина.
Введение
Радиальнопоршневые объемные гидромашины с шариковыми поршнями получили распространение в трансмиссиях передвижения строительно-дорожных и сельскохозяйственных машин мощностью до 15 кВт, так и в составе гидромеханических коробок передач тяжелых гусеничных машин массой в 60 тн, имеющих мощность до 400 кВт.
Состояние вопроса
Созданная впервые на территории СНГ гидропередача ГОП-900 обладает уникальными скоростными возможностями и превосходит по этому показателю самые совершенные на сегодняшний день аксиальнопоршневые гидромашины фирм, специализирующихся на производстве гидроприводов для мобильных машин [1], рис. 1.
Гидропередача Г0П-900 обладает минимальными осевыми габаритами, что позволяет использовать ее в составе гидромеханической трансмиссии при существующих габаритных ограничениях мобильных машин.
Рис. 1. Объемные гидропередачи типа ГОП-900 и отдельные детали
На рис. 1 представлена объемная гидропередача конструкции НИИгидропривода [2], состоящая из двух радиальнопоршневых гидромашин однократного действия, отличительной особенностью которых является применение в качестве поршней шариков 5, установленных в блоках цилиндров насоса 3 и гидромотора 4, постоянно опирающихся на реактивные кольца (обоймы) 7 насоса и гидромотора. Статор 6 насоса имеет регулируемый ексцентриситет для изменения рабочего объема и частоты вращения гидромотора. В
корпусе 1 установлен блок цапфенных распределителей 2. Блоки цилиндров насоса и гидромотора соединены с валами 8 и 9 соответственно. Шарики выполняют функцию поршня и совершают вращательное движение по беговой дорожке аналогично работе в радиальном шариковом подшипнике качения и, как поршень, совершают скольжение по боковой стенке цилиндра.
Рис. 2. Объемная гидропередача типа ГОП-900 на базе гидромашины радиальнопоршневого типа с шариковыми поршнями конструкции НИИгидропривода
В связи с отсутствием в Украине производства шариков диаметром 63,5 мм в первом макетном образце гидропередачи ГОП-900 использовались шарики фирмы PBG («Precision Ball and Gauge Co», Англия). Однако при испытаниях гидропередачи были обнаружены повышенный износ и трещины на поверхности шариков.
Цель и постановка задачи
Стояла задача выбрать материал для производства указанных шариков, который бы обладал стабильными свойствами.
Материал и методика исследования
Материалом исследования были стали ШХ-15СГ, Р6М5Ф3-ПМ, керамические материалы.
Как показали стендовые испытания радио-поршневых гидропередач типа Г0П-900, шарики-поршни из стали ШХ-15СГ дали положительные результаты. В то же время недостаточная для тяжелонагруженных гидропередач теплостойкость шариков и тенденция к самопроизвольному нерегламенти-рованному росту диаметра вынуждает для обеспечения работоспособности иметь повышенный гарантированный зазор в поршневых группах во избежание заклинивания шариков-поршней в цилиндрах, что приводит к снижению КПД гидропередачи.
Результаты исследований
Анализ результатов проведенных стендовых испытаний гидропередач и информационный поиск в данном направлении показали возможность повышения надежности шариков-поршней из стали марки Р5М5Ф3-ПМ ГОСТ 28393-89 (пруток кованый из порошковой быстрорежущей стали для горячей обработки давлением) и керамических материалов (нитрид кремния, карбид кремния, карбид бора).
Сравнительные технические характеристики указанных материалов приведены в табл. 1.
Т аблида 1 Основные физико-механические свойства материалов для изготовления шаров-поршней
Наименование параметра Материал
нитрид кремния Si3N4 карбид кремния SiC карбид бора В4С сталь Р6М5Ф3-МП сталь ШХ-15СТ
Модуль упругости, МПа 4,7х105 (4 - 5) х105 (7 - 8) х105 2,2 х105 2,1 х105
Плотность, г/см3 3,2 3,2 2,5 8,2 7,65
Коэфф. терм. расширения, х 10-6 / °С 2,75 1,82 1,4 12 13,4
Коэфф. теплопроводности, кал./см с °С 0,041 0,098 - 0,1 0,2 0,059 0,09
Т вердость, HV 1700 > 1700 > 1700 830 - 940 804 - 900
Цена (относ.) 400 30 30 12 1
Анализ данных, приведенных в табл. 1, пока- износостойкостью обладают шары, на по-
зывает, что шарики из керамики обладают верхности которых нанесено ионно-плаз-
рядом преимуществ перед стальными: менное покрытие.
- более чем в 2 раза (а для карбида бора - в 4 раза) большим значением модуля упругости, что снижает степень риска пластической деформации шарика или позволяет повысить давление в гидропередаче;
- более чем в 2 раза (а для карбида бора - в 3 раза) меньшим значением плотности, что позволяет снизить динамические нагрузки на шарик при работе на повышенных частотах вращения;
- более чем в 6 раз (а для нитрида кремния -в 4 раза) меньшим значением коэффициента термического расширения, что снижает степень риска заклинивания шарика в цилиндре при пуске гидропередачи и позволит работать без предварительного прогрева, а также позволяет уменьшить зазор в паре поршень-цилиндр, способствуя повышению КПД гидропередачи и уменьшению установочной мощности насоса подпитки;
- высокой твердостью.
Дальнейший анализ условий эксплуатации и причин выхода из строя шаров, характер их изнашивания и разрушения подвел к мысли о необходимости нанесения покрытия на шары. Остановились на покрытии ТЮШ, нанесение которого осуществлялось на установке «Булат-3Т».
Выбор режимов нанесения покрытий осуществлялся с использованием методики математического планирования эксперимента путем оценки микротвердости формируемых покрытий и коэффициента использования материала.
Металлографические исследования структуры опытных материалов и напыленных покрытий выполнялись на травленых и нетравленых шлифах на микроскопе МИМ-8М (рис. 3).
Фазовый состав напыленных покрытий определяли на дифрактометре ДРОН-1,5 в мо-нохроматизированном СиКа-излучении.
Рис. 3. Микроструктура детали с покрытием ТЮШ толщиной 5мкм х100
Если износостойкость шаров из стали ШХ-15СГ принять за единицу, то износостойкость шаров из быстрорежущей стали составляет 1,2; керамических шаров - 2, а износостойкость шаров, на которые нанесено ионно-плазменное покрытие, равняется 2,3 (рис. 4).
Рис. 4. Гистограмма износостойкости шаров, выполненных из разных материалов
Выводы
Проведенные испытания макетных образцов радиальных шарикопоршневых гидропередач типа ГОП-900 позволили сделать вывод о том, что их надежность и дальнейшее совершенствование в значительной мере обусловлено надежностью работы шарика-поршня, к которому предъявляются высокие требования по износостойкости, минимальной степени силовой и температурной деформации.
Сравнение износостойкости всех исследуемых материалов показало, что наибольшей
С учетом негативного опыта использования импортных стальных шариков из хромистой
стали, позитивного опыта использования шариков из стали ШХ-15СГ, освоенных производством ОАО «ХАРП», и руководствуясь в то же время необходимостью повышения теплостойкости и износостойкости шариков, следует считать перспективными исследования при использовании шариков из порошковых быстрорежущих сталей типа Р6М5Ф3-МП, шариков из керамики, имеющих высокие прочностные свойства.
Нанесение ионно-плазменного покрытия TiCrN методом КИБ на поверхность шарика-поршня является эффективным методом повышения его износостойкости, что увеличивает эксплуатационную стойкость деталей объемного гидропривода.
Литература
1. Бабаев О.М., Глушенков В.А., Голубев В.И.,
Гуревич Е.Л., Густомясов А.Н., Кондратьев А.Б. Гидромеханические трансмиссии - средство повышения конкурентоспособности колесных и гусеничных машин // Приводная техника. -М. - 1998. - №9.
2. HMPT-1250. Компактная трансмиссия для
AFAS/FARV. Transmission. Programs Defence Sestems Martin Marietta, 1993.
3. Борисюк М.Д., Бусяк Ю.М., Аврунин Г.А.,
Большаков А.К., Кабаненко И.В., Ха-виль В.В. Новое поколение шарикопоршневых гидропередач // Прикладная гидравлика и пневматика. - Винница. -2003. - №1. - С. 67 - 70.
4. Бабаев О.М., Игнатов Л.Н., Кисточ-
кин Е.С. и др. Объемные гидромеханические передачи: Расчет и конструирование // Под общ. ред. Е.С. Кисточкина.
- Л.: Машиностроение, ленингр.
отд-ние, 1987. - С. 256.
5. Аврунин Г.А., Истратов А.В., Оверк Т.А.,
Мартынов Ю.Ф., Сергеева О.В., Гаврю-шенко Р.И., Большаков А.К. Исследование характеристик масла Тад-17 и при испытаниях в объемном гидроприводе // Прикладная гидравлика и пневматика. -Винница. - 2005. - № 2(8). - С. 20 - 24.
6. engine@ballpistonengine.com.
Рецензент: Л.В. Назаров, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 13 апреля 2008 г.
