CC BY
0УДК 621.225.7:621.791.92
DOI: 10.24412/CL-35807-2024-1-43-47
РАЗРАБОТКА БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ В СОСТАВЕ АКСИАЛЬНО-ПЛУНЖЕРНОГО НАСОСА С НАКЛОННЫМ
ДИСКОМ
Старостин Д. А., начальник сектора службы главного технолога АО «ВНИИ «Сигнал», e-mail: d.a.starostin@vniisignal.ru Пищулов Д. Г., инженер 2 категории по механическим испытаниям АО «ВНИИ «Сигнал», e-mail: pishhulov.danila@mail.ru
DEVELOPMENT OF A BIMETALLIC DISTRIBUTOR AS PART OF AN AXIAL PLUNGER PUMP WITH AN INCLINED DISC
Starostin D. A., head of the Service Sector
of the Chief Technologist of All-Russian Scientific
Research Institute Signal,
e-mail: d.a.starostin@vniisignal.ru
Pishchulov D. G., engineer of the 2nd category for
mechanical tests of All-Russian Scientific Research
Institute Signal, e-mail: pishhulov.danila@mail.ru
Аннотация. В статье рассматривается исследовательская работа, направленная на повышение ресурса и эксплуатационных характеристик аксиально-плунжерных гидромашин с наклонным диском (АПГМНД) за счет применения технологии лазерной наплавки. Объектом исследования является аксиально-плунжерный насос рабочим объемом 15 см3/об. Рассматривается исследование применения технологии лазерной наплавки СО2-лазером для повышения износостойкости, надежности и задиростойкости поверхностей трения. По результатам исследований разработана эскизная конструкторско-тех-нологическая документация для изготовления биметаллического распределителя аксиально-плунжерного насоса.
Annotation. The article discusses the research work at increasing the resource and operational characteristics of axial-plunger hydraulic machines with an inclined disk (APGMND) through the use of laser surfacing technology. The object ofthe study is an axial plunger pump with a working volume of 15 cm3/rev. The study of the application of CO2 laser surfacing technology to increase the wear resistance, reliability and corrosion resistance of friction surfaces is considered. Based on the results of the research, preliminary design and technological documentation has been developed for the manufacture of a bimetallic axial plunger pump distributor.
Ключевые слова: аксиально-плунжерная гидромашина с наклонным диском, аксиально-плунжерный насос, пара трения, лазерная наплавка, зона воздействия лазерной наплавки, металлографический анализ, триботехника, износостойкость, задиростойкость.
Keywords: axial-plunger hydraulic machine with inclined disc, axial-plunger pump, friction pair, laser surfacing, laser surfacing impact zone, metallographic analysis, tribotechnics, wear resistance, bully resistance.
На первом этапе была проведена опытная обработка и поиск оптимальных режимов лазерной наплавки порошков из медных сплавов на основание из стали 40Х. Проведен металлографический и фазовый анализ наплавленного слоя и зоны термического влияния в стальном основании. Проведены сравнительные трибологические испытания поверхностей, полученных методом лазерной наплавки различных порошков из латуни и бронзы. Сравнительные трибологические испытания показали, что поверхности, наплавленные порошками из латуни ПР-ЛМцСКА-58-2-2-1-1 и бронзы ПР-БрОС-10-1,5, обладают наилучшими трибологическими свойствами в сравнении с поверхностями наплавленных порошками латуни ПР-Л63 и бронзы ПР- БрАЖ9,5-1 и поверхностями латуни Л-63 и бронзы БрАЖ9-4 из стандартного сортамента. Таким образом, была подтверждена актуальность применения технологии лазерной наплавки порошков из медных сплавов для повышения эксплуатационных характеристик пар трения АПГМНД. Результаты данных исследований были представлены в работах [1—3].
Дальнейшие исследования, с ц елью выявления оптимальных режимов и схем лазерной наплавки, проводились в направлении подробного изучения механических свойств и структуры наплавленных слоев с использованием порошков ПР-ЛМцСКА-58-2-2-1-1 и бронзы ПР-БрОС-10-1,5 [4—11]. Металлографические исследования (рис. 1, 2, 3) проводились с использованием оптического микроскопа Альтами МЕТ10С и микротвердомера ПМТ-3М.
Также был выполнен подробный анализ распределения микротвердости по наплавленному слою и зоне термического влияния. Графики распределения твердости по наплавленным и термоупрочненным слоям приведены на рис. 4.
Дополнительно были проведены трибологические лабораторные испытания с рабочей жидкостью с применением антифрикционных присадок. Для исследований изготавлива-
Рис. 1. Зона наплавки и зона термоупрочненного слоя, Х-100
Рис. 2. Структура наплавленного слоя и термоупрочненного слоя, Х-800
Рис. 3. Структура термоупрочненного слоя и стального основания, Х-800
ли плоские образцы из латуни ПР-ЛМцСКА-58-2-2-1-1 и бронзы ПР-БрОС-10-1,5 с размерами 12 х 20 х 70 мм и контробразцы втулки из стали 50ХФА (49—52 HRC). В качестве базового использовали гидравлическое масло МГЕ-10А с добавками наноструктурированной присадки Стри-бойл в количестве 0,5, 2,0, и 4,0 об. %. Морфологию поверхности трения исследовали с помощью цифрового микроскопа модели АМ413 ML (UNICO, United Products and Instruments, США). Взвешивание образцов до и после испытаний выполняли на высокоточных аналитических весах HT-224 RCE (VIBRA, Япония) с погрешностью 0,0001 г. Микротвердость определяли на приборе ПМТ-3. Триботехнические испытания выполняли по схеме (рис. 5) «широкая сторона плоского образца (ПР-ЛМцСКА-58-2-2-1-1, ПР-БрОС-10-1,5) — торец кольцевого контробразца, стальной втулки». Определение интенсивности изнашивания выполняли после приработки образцов при постоянной скорости скольжения и нагрузке. Продолжительность цикла испытаний составляла 5 минут. Определения коэффициентов трения и критического давления до заедания проводили при ступенчатом изменении нагрузки и скорости скольжения.
На рис. 6, а, б представлена морфология поверхности трения латуни без присадки (рис. 6, а) и с содержанием присадки 2 об. % (рис. 6, б). На поверхности трения латунного образца без присадки после испытаний наблюдаются достаточно глубокие риски. Следует отметить, что приработка при наличии присадки происходила значительно быстрее и на поверхности не наблюдали дефектов в виде рисок.
Анализ проведенных испытаний показал, что интенсивность изнашивания при смазывании базовым маслом имела максимальное значение 2,92-10-8, а при содержании присадки Стрибойл 0,5, 2,0 и 4,0 об. % — 1,095, 0,842 и 1,179-10-8 соответственно. Интенсивность изнашивания
Таблица 1
Средние значения интенсивности изнашивания по двум образцам
Базовое масло и содержание присадки, об. % Интенсивность изнашивания образца латуни ЛМцСКА-58-2-2-1-1, J-10-8 Интенсивность изнашивания образца бронзы ПР-БрОС-10-1,5, J-10-8
МГЕ-10А 2,92 3,756
МГЕ-10А + 0,5 1,095 2,341
МГЕ-10А + 2,0 0,842 1,872
МГЕ-10А + 4 1,179 2,578
- измерении.
Рис. 4. Графики распределения твердости по наплавленному слою и термоупрочненному слою
Рис. 5. Схема трения: 1 — оправка; 2 — контробразец; 3 — плоский образец
Рис. 6. Морфология поверхности трения латуни ЛМцСКА-58-2-2-1-1: а — МГЕ — 10А; б — МГЕ — 10А + 2 об. % Стрибойл
контробразцов из стали 50ХФА была несколько ниже, и наблюдается определенная закономерность, чем меньше изнашивалась латунь, тем меньше изнашивался и стальной контробразец. Для образцов бронзы интенсивность изнашивания при смазке базовым маслом составила 3,756-10-8, а при содержании присадки 0,5, 2,0 и 4,0 об. % — 2,341-10-8, 1,872-10-8, 2,578-10-8 соответственно. Таким образом, введение присадки однозначно увеличивает ресурс работы узлов трения, что было показано и в более ранних исследованиях, а вот количественная оценка для этой присадки приведена нами впервые в зависимости от ее процентного содержания в базовом
масле МГЕ-10А. Трудность выбора оптимального процентного содержания заключается в том, что по критерию износостойкости преимущество следует отдать результатам, полученным при 2 % ее содержании. Если же нужно решать задачи по снижению коэффициента трения и увеличению задиростойкости узла трения, то предпочтительно применение присадки 0,5 % в базовом масле.
Результаты проведенных исследований показывают состоятельность и необходимость дальнейшего применения технологии лазерной наплавки для создания биметаллического слоя распределителя в составе аксиально плунжерного насоса с наклонным диском. По результатам про-
Рис. 7. 3Б-модель биметаллического распределителя
Рис. 8. Чертеж биметаллического распределителя
И
99 K
93 и 94
Рис. 9. Сборочный чертеж насоса с биметаллическим распределителем
веденных исследований была разработана конс-трукторско-технологическая документация для изготовления распределителя со слоем (чертеж распределителя, технологический процесс, сбо-
Список литературы
рочный чертеж насоса). На рис. 7—9 представлены: 3Б-модель, чертеж распределителя с биметаллическим слоем из латуни и сборочный чертеж насоса с биметаллическим распределителем.
1. Бирюков В. П. Лазерная наплавка сплавов на основе меди на сталь / В. П. Бирюков, А. Н. Принц, А. П. Савин, Д. А. Старостин, Д. В. Клеветов // Автоматизированное проектирование в машиностроении: Материалы VII Международной научно-практической конференции. — Новокузнецк: Издательство НИЦ МС. — 2019. — № 7. — C. 105—108. (DOI: 10.26160/2309-8864-2019-7-105-108) — Текст: непосредственный.
2. Бирюков В. П. Определение нагрузки заедания покрытий на основе меди, полученных лазерной наплавкой / В. П. Бирюков, А. Н. Принц, Д. А. Старостин, Д. В. Клеветов // Journal ofAdvanced Research in Technical Science. — Seattle, USA: SRC MS, AmazonKDP. — 2019. — Issue 17, Volume 2. — 178—181 c. (DOI: 10.26160/2474-5901-2019-17-178-181).
3. Старостин Д. А., Пищулов Д. Г. Применение лазерной наплавки в гидромашиностроении / Д. А. Старостин, Д. Г. Пи-щулов: // Материалы LXXII открытой Международной студенческой научной конференции Московского Политеха: Москва, 2022. — Москва: Издательство ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет», 2022. — С. 68—77. — Текст: непосредственный.
4. Башта Т. М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1974, 606 с.
5. Борисов Б. П., Саков В. А. Аксиально-поршневые гидромашины. Ч. I. Анализ конструкций: Учеб. пособие для курсового и дипломного проектирования по курсу «Теория и расчет объемных гидромашин» / Под ред. Д. А. Бутаева. М.: Изд-во МГТУ, 1993. 55 с., ил.
6. Степанкин И. Н. Влияние структуры поверхностных слоев на характер взаимодействия пар трения, образованных сталями Х12М, 40Х и 35ХГСА с бронзой БрАЖ9-4 / И. Н. Степанкин, Е. П. Поздняков, В. Г. Кудрицкий // Трение и износ. 2016. Том 37, № 2. — 228—233 с.
7. Arias-González F. et al. Production of phosphor bronze coatings by laser cladding // Procedia Manufacturing. 2017. V. 13. P. 177—182.
8. Zeng D. W., Xie C. S., Wang M. Q. In situ synthesis and characterization of Fep/Cu composite coating on SAE 1045 carbon steel by laser cladding // Materials Science and Engineering. 2003. V. 344. P. 357—364.
9. Zhang H., Yizhua H., Xiaomina Ye P. Microstructure and age characterization of Cu—15Ni—8Sn alloy coatings by laser cladding // Applied Surface Science. 2010. V. 256. P. 5837—5842.
10. Devojno O. G., Feldshtein E., Kardapolava M. A., Lutsko N. I. On the formation features, structure, microhardness and tribological behavior of single tracks and coating layers formed by laser cladding of Al—Fe powder bronze // Surface and Coatings Technology. 2019. V. 358. P. 195—206.
11. Sitarz M., Kurc-Lisiecka A., Gamon W. Surface Analysis of Railway Buffers Heads Covered with Bronze Using Laser Cladding // Archives of Foundry Engineering. 2017. Vol. 1 7. Iss. 2. P. 89—94.
