CC BY
195
РЕМОНТ ШЕСТЕРЕННИХ НАСОСІВ ГІДРОСИСТЕМ ДОРОЖНІХ МАШИН
Е.К. Посвятенко, професор, д.т.н., НТУ, В.М. Кропівний, професор, к.т.н., КНТУ, Н.І. Посвятенко, доцент, к.т.н., НТУ (м. Київ), В.В. Русских, к.т.н., КНТУ (м. Кіровоград)
Анотація. Описано дослідження ресурсозберігаючої технології ремонту шестеренних насосів шляхом контактного наварювання зносостійких композиційних порошкових матеріалів на вершини зубців з наступною термоциклічною обробкою.
Ключові слова: шестеренний насос, ремонт, відновлення, контактне наварювання, композиційні порошкові матеріали.
Вступ
Значна частина парку дорожніх машин України, які оснащено гідроприводом, ремонтується. Однак, як показує досвід експлуатації, надійність відремонтованих насосів значно поступається надійності нових. Пояснюється це відсутністю системної інформації щодо причин відмови цих гідромашин та стосовно вибору оптимальних методів відновлення їх зношених деталей і технології ремонту насоса в цілому.
Ефективним напрямком усунення цих недоліків є поліпшення якості технічного обслуговування і ремонту шестеренних насосів, створення нових методів відновлення зношених деталей, що дозволить знизити витрати на ремонт і підвищити надійність відремонтованих насосів гідросистем будівельних і дорожніх машин. Отже, підвищення надійності і якості ремонту шестеренних насосів типу НШ є актуальною науковою і
народногосподарською проблемою.
Аналіз публікацій
Аналіз літературних даних показує, що зношування деталей шестеренних насосів є основною причиною зниження його функціональних параметрів і ресурсу, з чим
пов’язано
67 -75 % відмов насосів [1].
Зношування деталей насоса викликає зміну первинної макро- і мікрогеометрії поверхонь та їх фізико-механічних властивостей [2], що призводить до порушення початкових посадок, виникнення перекошування деталей та зменшення початкової зони контакту в спряженнях. Наслідком цього є порушення герметичності нагнітальної порожнини і зростання внутрішніх втрат, величина яких визначає основні технічні характеристики насоса.
На основі аналізу джерел літератури запропоновано класифікацію способів ремонту насосів шляхом відновлення спряження
«корпус-шестерня». Відповідно до цієї класифікації існуючі методи ремонту деталей насосів були розподілені на дві групи - під номінальний і ремонтний розміри.
Встановлено, що одним з перспективних способів ремонту насосу є збільшення шестерень по зовнішньому діаметру до ремонтного розміру. Такий спосіб дає можливість відновити об’ємну подачу і коефіцієнт подачі насоса.
Із публікацій останнього часу та результатів окремих наших досліджень витікає, що надзвичайно перспективним напрямком вирішення проблеми підвищення
довговічності швидкозношуваних деталей є
нанесення зносостійких порошкових
покриттів в режимі спікання і наварювання, заснований на принципах порошкової металургії та контактного зварювання [3-5].
Мета та постановка задачі
На основі аналізу літературних джерел була сформульована мета дослідження, яка полягала у підвищенні довговічності шестеренних насосів при їх ремонті шляхом застосування ефективної ресурсозберігаючої технології відновлення на основі
контактного наварювання на зношені
вершини зубців шестерень зносостійких композиційних порошкових матеріалів з одночасною термоциклічною обробкою.
Програма та методика досліджень
Результати мікрометрування зношених поверхонь оброблялися методами математичної статистики.
Вибір порошкового матеріалу для
контактного наварювання відбувався у два етапи. Критерієм вибору матеріалу матриці і наповнювача на першому етапі була
твердість покриттів. На другому етапі
виконано оптимізацію складу порошкового матеріалу за критеріями твердості кераміко-металевого покриття, міцності зчеплення та зносостійкості.
електрода пружина піднімає тримач, повертаючи його. Таким чином, шестерня повертається на один зуб і цикл повторюється.
За параметр оптимізації процесу було взято міцність зчеплення нанесеного покриття з основою на зрізання. Міцність зчеплення вивчалась на установці УИМ-50М, яка обладнана вимірювальним пристроєм і самописцем. Випробування покриттів на відносну зносостійкість проводили на машині тертя Х4-Б, порівнюючи зі зносостійкістю еталонного зразка (цементована сталь 18ХГТ). а
б
Для контактного наварювання порошку на вершини зубців шестерень була розроблена установка на базі машини для контактного точкового зварювання МТ-2527. Зовнішній вигляд пристрою та схема процесу контактного наварювання на зношені вершини зубців шестерень представлено на рис. 1.
Пристрій (рис. 1, а) складається з опорної плити, верхнього і нижнього електрода, механізму провертання нижнього електрода, підтримуючого пристрою і механізму повертання шестерні, яка відновлюється. Нижній електрод виконаний у формі тарілки зі спеціальними профільними заглибленнями для формування близького до евольвентного профілю зуба шестерні. Відновлювану шестерню укладають цапфами на тримач. Верхній електрод при опусканні тисне на цапфи і притискає зуб шестерні до нижнього електрода. В результаті пресування порошок ущільнюється. При підніманні верхнього
в
Рис. 1. Установка для контактного наварювання (а) та схема процесу: б -стадія попереднього пресування; в -заключна стадія; 1 - нижній електрод; 2
- шестерня; 3 - порошок; 4 -
профілююча канавка
Результати досліджень
Дослідження показали, що основними дефектами шестерень насосів, які надходять в ремонт, є зношування цапф, вінця по ширині, зубців по зовнішньому діаметру і евольвенті (рис. 2), а також шлиців. а
Рис. 2. Сліди зношування шестерень насоса на поверхнях цапф (а), торця (б), евольвенти та периферії зубців (в)
Отже, що стосується виду зношування, то візуальне та інструментальне макро- та мікродослідження усіх спрацьованих поверхонь шестерень (див. рис. 6), а також корпуса і втулок насосів типу НШ свідчить про яскраво виражену абразивну природу цього процесу. За характером дії абразивних частинок на поверхні, що зношуються, є усі підстави ідентифікувати схему силової взаємодії абразиву з деталями насоса як механічний та гідроабразивний контакти, чи їх поєднання [6]. Про гідроабразивну природу зношування йшлося у наших попередніх публікаціях [7] та ін. Проте тепер постало питання про джерело виникнення абразивних частинок у гідросистемах сучасних машин, які оснащено ефективними засобами захисту від потрапляння абразиву у контакт: ущільненнями, фільтрами,
відстійниками, магнітними уловлювачами тощо. Логічною відповіддю на це питання є припущення про те, що абразивні частинки генерує сам поверхневий шар стальних зубців шестерень, твердість якого після цементації та гартування сягає ИЯС 58-62. При цьому корпус та втулки насоса, які виготовляють з алюмінієвих або інших кольорових сплавів не можуть генерувати частинки, які зношували б поверхні стальних деталей. Отже, якщо висловлене вище припущення вірне, то логічною є також гіпотеза про переважно кавітаційне зношування на початку експлуатації нового чи відремонтованого шестеренного насоса. Відомо [6], що таке зношування відбувається в результаті багатоциклової дії на поверхню гідравлічних ударів, що виникають при миттєвому закритті мікропорожнин
(бульбашок) поблизу поверхні деталі.
Кавітаційні бульбашки утворюються у
гідродинамічному потоці рідини внаслідок появи у ній об’ємів з низьким тиском.
в
Закриття бульбашки відбувається зі збільшенням зовнішнього тиску зі швидкістю звуку. Звільнена енергія акумулюється у поверхневих шарах деталі і витрачається на руйнування матеріалу шляхом виривання з поверхні мікрооб’ємів, які уже у вигляді абразивних частинок надходять у робочу рідину. На зношеній поверхні лопатей турбін, гребних валів, насосів та інших гідротехнічних пристроїв спостерігаються «віспинки», що характерні для кавітаційних процесів. Проте на зношених деталях шестеренних насосів, що надходять на ремонт, спостерігаються лише поздовжні подряпини, оскільки початкові кавітаційні «віспинки» зішліфовуються абразивними частинками, що знаходяться в робочій рідині. Таким чином, на нашу думку, зношування шестерень насосів має кавітаційно-гідроабразивну природу. Особливо це стосується зовнішніх поверхонь (периферії) зубців, яка у відповідності з кінематикою гідромашн типу НШ не повинна контактувати з поверхнями інших деталей.
Ефективним шляхом боротьби з кавітаційно-гідроабразивним зношуванням є нанесення на робочі поверхні композиційних порошкових матеріалів, у яких м’яка в’язка матриця вміщує зносостійкі компоненти (карбіди, бориди, нітриди, оксиди).
Подальші дослідження стосувалися складу порошкового матеріалу для контактного наварювання на вершини шестерень кераміко-металевих покрить. При визначенні складу шихти як матеріалу матриці було вибрано порошок ПГ-ФБХ-6-2, що пов’язано з наявністю у ньому бору, який сприяє зміцненню матриці за рахунок мікролегування, формування твердих вторинних карбідів, що утворюються в процесі спікання і армують металеву матрицю, а також формування самостійних карбідів бору - В4С.
В якості зміцнюючої фази використовували карбід хрому, плакований нікелем (КХНП-20). Такий наповнювач має високу твердість, зносостійкість і електропровідність та підвищує здатність порошкового матеріалу до пресування, а також сприяє хімічній активації процесу контактного наварювання. Для отримання гетерогенної структури навареного покриття до складу порошкового
матеріалу додатково вводили як наповнювач карбід титану.
Для забезпечення оптимальної щільності порошкового покриття досліджували порошки різного фракційного складу. За результатами лабораторних випробувань встановлено, що найвищу відносну
зносостійкість мають покриття з порошків наступного складу: 50 % ПГ-ФБХ-6-2
(фракція 30...40 мкм)+40 % КХНП-20
(фракція 50.60 мкм)+ 10 % ТіС (фракція 10.20 мкм).
Математичне планування
експериментальних досліджень процесу контактного наварювання дозволило отримати математичну модель для визначення оптимальних параметрів
процесу, що забезпечує найвищу міцність зчеплення на зрізання навареного покриття
о = 71,6167 + 3,49167 I + 3,41833 Р х х 4,08333 t + 3,875 п + 1,375 11 - 0,076 P2+
+ 0,725 P t - 108,75 ґ2 + 7,75 t п -
1,0875 п2. (1)
Встановлено, що максимальна міцність
зчеплення нанесеного покриття з основою о = 209,5 МПа досягається при величині струму - I = 14 кА, тиску пресування -Р = 37 МПа, тривалості імпульсу ґ = 0,4 с і числу циклів - п = 6.
Мікроструктура відновленої шестерні в області перехідної зони є дрібноголчастим мартенситом з рівномірним розподілом
карбідів і незначною кількістю аустеніту, що відповідає технічним вимогам, які висуваються до цементованих сталей.
Мікроструктура навареного зміцнюючого покриття наступна:
- матриця - високолегована хромом і бором дрібнодисперсна евтектика, яка складається з вторинних легованих карбідів і легованого твердого розчину;
- зміцнююча фаза - карбіди хрому і титану, що рівномірно розподілені в матриці і розділяються між собою прошарками металу матриці (рис. 3, 4).
Рис. 3. Мікроструктура навареного покриття, збільшення х500
а б
в
Рис. 4. Растрова мікроскопія - розподіл хімічних елементів у мікроструктурі навареного покриття, збільшення х400: а - Fe; б - Сг; в - №
Прискорені ресурсні випробування показали, що шестерні, які відновлено контактним наварюванням порошків складу 50% ФБХ-6-2+40 %, КХНП-20 + 10 % ТіС, мають у 3,83 рази вищу зносостійкість, ніж зносостійкість серійних цементованих шестерень. Зносостійкість корпусу при роботі у поєднанні з відновленими цим складом порошку шестернями в 1,4 рази вища, ніж при роботі з серійними шестернями. В цілому ж зносостійкість радіального спряження насоса «корпус-шестерня» вища у 1,92 рази. Підвищення зносостійкості радіального спряження є
основою підвищення довговічності відремонтованих насосів. Ресурс насосів, відремонтованих за новою технологією і укомплектованих шестернями, які відновлено контактним наварюванням
порошкових матеріалів під ремонтний розмір вказаного
вище складу, складає 3927 ± 38 годин, що на 31% вище серійного.
При проведенні експлуатаційних
випробувань було встановлено, що через рік роботи при середньому напрацюванні 850 годин кожен з 16 відремонтованих насосів знаходився у справному стані, забезпечував тиск і подачу в межах відповідно до вимог ГСТУ 3-25-180-97. За результатами досліджень була розроблена технологія ремонту шестеренних насосів шляхом відновлення і зміцнення шестерень під ремонтний розмір. Економічна ефективність від впровадження нової технології ремонту складає 77 грн на один насос.
Висновки. Перспективи подальших наукових досліджень
На основі виконаних досліджень можемо зробити наступні висновки:
- встановлено, що зношування зубців шестерень насосів НШ переважно має кавітаційно-гідроабразивну природу;
- запропоновано спосіб контактного наварювання порошкового матеріалу на зношені вершини цементованих зубців з одночасною термоциключною обробкою, що дозволяє отримати якісне композиційне покриття, в’язка основа якого добре протидіє кавітаційним процесам, а наповнювач -абразивним;
- визначено оптимальні режими контактного
наварювання: величина імпульсу струму
14 кА, тиск пресування порошку 37 МПа, тривалість імпульсу струму 0,4 с, число циклів при термоциклічній обробці 6, які забезпечують мікротвердість поверхневого шару 10,5 ГПа і міцність його зчеплення з основою 210 МПа;
- розроблено схему технологічного процесу ремонту насосів НШ з використанням методу контактного наварювання порошків з одночасною термоциклічною обробкою для збільшення зовнішнього діаметра зубців шестерень під ремонтний розмір;
- подальші наукові та виробничі
дослідження будуть спрямовані на розвиток отриманих результатів, зокрема
поглибленого вивчення зношування деталей шестеренних насосів, які відновлено контактним наварюванням зносостійких
порошкових матеріалів, а також масштабних експлуатаційних випробувань.
Література
1. Тетюхин В.И. Фрейманис Ф.Ж.
Янсон В.М. Эксплуатация и ремонт шестеренных, аксиально-поршневых и плунжерных насосов. - Л.: Стройиздат, Лениградское отделение, 1974. - 184 с.
2. Додин Л.Г. Шестеренные насосы гидравлических навесных систем сельскохозяйственных тракторов. - М.: НИИИавтопром, 1987. - 48 с.
3. Дорожкин Н.Н., Абрамович Т.М.,
Жорник В.Н. Получение покрытия
методом припекания. - Минск: Наука и техника, 1980. - 176 с.
4. Порошковая металлургия. Материалы,
технология, свойства, области
применения: Справочник / И.М.
Федорченко, И.Н. Францевич, И.Д. Радомысельский и др. - К.: Наукова думка, 1985. - 624 с.
5. Канарчук В.Є., Посвятенко Е.К.,
Лопата Л.А. Інженерія поверхні деталей транспортних засобів: сучасний стан і перспективи // Вісник Національного транспортного університету. - К.: НТУ.
- 2000. - Вип. 4. - С.3 - 14.
6. Основы трибологии (трение, износ,
смазка): Учеб. для техн. вузов / под общ. ред. А.В. Чичинадзе. - М.:
Машиностроение, 2001. - 664 с.
7. Кропивный В.Н., Кулешков Ю.В.,
Русских В.В. Влияние износа деталей шестеренного насоса на его
работоспособность // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. -Кіровоград: КДТУ. - 2003. - Вип. 33. -С.264 - 271.
Рецензент: С.Є. Селіванов, професор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 11 червня 2007 р.
