CC BY
83
УДК 620.178.16:621.879.45.064.004.62 ББК 34.413.2-01:38.623.034.5-046
В. А. Петровский, А. Р. Рубан
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АБРАЗИВНОГО ИЗНОСА ДЕТАЛЕЙ ЧЕРПАКОВОЙ ЦЕПИ ЗЕМСНАРЯДА
V. A. Petrovskiy, A. R. Ruban
RESULTS OF THE STUDY OF ABRASIVE WEAR OF THE SUCTION DREDGECHAIN
Предложены некоторые критерии для оценки износостойкости материалов деталей узла шарнирного соединения. Описаны основные составляющие процесса трения в сопряжённых деталях. Сложность взаимодействия поверхностей трения позволяет лишь приближённо определить уровень разрушения в зоне контакта по существующим критериям. Приведены результаты испытаний износостойкости материала деталей узла крепления черпаковой цепи дноуглубительного земснаряда на стенде для абразивного износа на образцах из сталей 38ХН3МА и 110Г13Л с различными видами термообработки и без неё. Образцы подвергнуты испытанию на износ под давлением 27,3 47,4 кПа. Результаты эксперимента показали, что технология завода изготовителя для пальцев из стали 38ХН3МА не обеспечивает максимальную износостойкость, а втулок из стали 110Г13Л - обеспечивает. Для увеличения ресурса износостойкости исследуемых материалов необходимо изменить упрочняющие технологии при изготовлении деталей узла крепления черпаковой цепи.
Ключевые слова: земснаряд, черпаковая цепь, палец, втулка, износ, износостойкость, испытания на износ.
The study suggests some criteria for assessment of the wear resistance of materials of components of the unit swivel. The basic components of the process of friction in related details are described. The complexity of the interaction of friction surface allows only approximately determine the level of destruction in the contact area by the existing criteria. The testing results of wear resistance of the parts of the mount scoop chain of a dredger on the bench for the abrasive wear on samples of steel 38HN3MA and 110G13L with different types of heat treatment and without it. The samples were subjected to abrasion test under the pressure of 27.3 and 47.4 kPa. The experimental results show that the technology of the manufacturer does not provide maximum durability for sleeves 38HN3MA, but provides it for steel bushings 110G13L. To increase the resource of the durability of the studied materials we must change hardening technologies in the manufacture of parts of the mount scoop chain.
Key words: dredge, scoop chain, pin, sleeve, wear, resistance, wear test.
Известно, что детали шарнирного соединения черпаковой цепи земснарядов во время работы изнашиваются и основной вид изнашивания - это схватывание металла сопряженных деталей, а сопутствующий - абразивное изнашивание частицами грунта, проникающего в зазор
[1]. Схватывание возникает в результате появления металлических связей, их деформации и разрушения с отделением частиц металла или налипанием на поверхность контакта. Условия работы цепи таковы, что пятно контакта трущихся деталей «втулка - палец» существует лишь ограниченное время и зависит от скорости скольжения, шероховатости и волнистости поверхности. Деформирование материала в пятнах контакта будет либо упругим, либо пластическим, редко достигая значений, достаточных для разрушения при однократном воздействии, поэтому возникновение металлических связей происходит в данном случае при интенсивной деформации поверхностных объемов металла, обусловленной атермической пластичностью и высокими удельными нагрузками на пятнах контакта, возникающих при эксплуатации цепи.
т
В данном случае схватывание можно оценить основным безразмерным коэффициентом —
0j
[2], где т - сдвиговое сопротивление молекулярной (металлической) связи; oT - предел текучести основы. Однако задача оценки абразивной износостойкости сплава еще далека от своего решения.
Известны многие эффективные критерии износостойкости. Так, в [3] в качестве критерия принят модуль упругости E, а в [4] - комплекс HVaH, где HV - твердость по Виккерсу; aH -
о • е
ударная вязкость. Более сложный критерий был предложен в [5] в виде —5—— , где ов - предел
О0,2 • 5
прочности; о0 2 - предел текучести; ев - истинная максимальная деформация; 5 - раскрытие трещины. Показано, что последний критерий можно заменить выражением ее / 5. Современным критерием, оценивающим изнашивание, является критерий овф [6, 7], имеющий энергетическую природу. В любом случае, согласно [8], если рассматривать абразивную износостойкость металлов, нагрузка F1, приложенная к единичной абразивной частице, будет уравновешена реакцией площади контакта:
F = A• P --п• d2 • P , (1)
1 m g m ~ v '
где А - проекция площади контакта на горизонтальную плоскость; Pm - давление текучести материала; d - диаметр отпечатка.
При перемещении абразивной частицы на пути l и будет удалён некоторый объём материала V-, который можно определить как
d d ^
AV1 = K • S •Al = K h - Al = K1 — ctg ф •Al, (2)
где K- - коэффициент, учитывающий удаленный в виде стружки некоторый объём материала;
S - площадь поперечного сечения канавки; h - глубина внедрения абразивной частицы; ф - половина угла при вершине моделируемой абразивной частицы. Совместив выражения (1) и (2) и заменив F- на Fn / Na, где Fn - нагрузка, приходящаяся на все абразивные частицы, участвующие в контакте с поверхностью; Na - общее количество абразивных частиц, взаимодействующих с поверхностью; общий износ можно представить в виде
AV = na .AV =n„.Ki2-FnN^A Л = K,K-2Fn •c1^ 'Al —, (3)
N • п p п p
a m m
где na - количество частиц, осуществляющих микрорезание; K2 = na / Na - относительная доля абразивных частиц, участвующих в резании поверхности.
В практических расчётах вместо давления текучести Pm можно использовать твёрдость материала, тогда формулу (3) можно записать в виде
F •Al
AV = KF-------,
H
где K = K1K2 ^Ctg ф - коэффициент износа; Н - твёрдость. Это выражение было предложено п
Дж. Ф. Арчардом для трущихся без смазки поверхностей. Преобразовав его для определения износостойкости сплава И в одинаковых условиях изнашивания, получим
И = const H.
Однако эта зависимость применима только для отожженных сплавов и не имеет универсального характера. Было установлено [3] высокое значение абразивной стойкости от упрочнения сплава закалкой с последующим отпуском. Эта зависимость имеет вид
И = И0 + const(H - H 0),
где Ио, Hо - износостойкость и твёрдость сплава после отжига; Н - твёрдость после термообработки.
В настоящее время в России эксплуатируется около 80 черпаковых земснарядов. Рабочим органом земснаряда является черпаковая цепь, которая работает в очень сложных условиях, таких как абразивная среда и высокие динамические нагрузки. В узлах крепления черпаковой цепи нагрузки превышают предел текучести материала, что приводит к пластической деформации втулок, колец и пальцев. Абразивный износ увеличивает зазор в узле так, что приводит к изменению траектории движения по роульсам цепи и сходу с верхнего приводного барабана.
Анализ эксплуатации черпаковой цепи показал, что отдельные пальцы, работающие на глинистых и илистых грунтах, меняются с частотой от 3 до 7 дней, а при работе на песчаных грунтах максимальный износ на некоторых втулках может быть достигнут за одни сутки. Бывали случаи, когда при работе на крупнозернистых грунтах кольца, установленные в проушинах черпака, изнашивались катастрофически, и это приводило к длительным простоям и замене черпака полностью.
При интенсивной эксплуатации земснаряда, по окончании навигации, заменяется весь комплект пальцев, втулок и колец на новые. Изношенные детали не восстанавливаются.
Для изучения причин повышенного износа втулок и пальцев цепи необходимо было установить износостойкость материала деталей. Для достижения этой цели была изготовлена экспериментальная установка, предназначенная для проведения испытаний материала на изнашивание при трении о закреплённые абразивные частицы.
Давление на поверхности одного образца при использовании первой оправки составляло 27,3 кПа, второй оправки - 47,4 кПа. Как показали предварительные пробы на износ, можно пользоваться одним видом оправки с сепаратором механического крепления благодаря быстроте установки и съёма образцов.
Образцы, изготавливаемые из сталей марок 38ХН3МА и 110Г13Л, имели форму цилиндров одинаковых размеров (в серии по 3 шт.), диаметром й = 15 ± 0,1 мм и высотой h = 7.. .8 мм.
Заготовки для образцов вырезались из отработанного пальца и из кольца, которые по внешним признакам не эксплуатировались.
Во время изготовления образцов обеспечивалось постоянное интенсивное охлаждение водой. Заготовка нагревалась не выше 30.40 °С.
Изготовленные образцы устанавливались в оправку установки и подвергались обязательной притирке с целью достижения полного прилегания к поверхности круга. Затем проводился селективный отбор образцов по высоте. В серии испытывалось по 3 образца, причем их высота не должна была отличаться более чем на 0,1 мм.
Были подготовлены образцы из материала пальца (сталь 38ХН3МА) по следующим партиям (в партии по 2 серии):
1. Без изменения структуры.
2. Отожженные при температуре 750 °С в течение 1 часа и охлажденные вместе с печью.
3. Отожженные по п. 2, закалённые с температуры 850 °С на масло, по техническим требованиям завода-изготовителя, и отпущенные при температуре 590 °С.
4. То же, что в п. 3, и отпущенные при температуре 200 °С.
Из материала кольца (сталь 110Г13Л) были изготовлены 2 партии образцов:
1. Без изменения структуры.
2. Закаленные с температуры 1050.1075 °С на воду по техническим требованиям завода-изготовителя.
Испытания образцов на износ проводились с разными нагрузками Рх (эксперимент № 1) и Р2 (эксперимент № 2). Испытания с нагрузкой Р2 проводились на тех же образцах после испытаний под нагрузкой Р\. До испытаний были проведены измерения высоты, массы, твёрдости образцов. Все исходные данные заносились в протокол. Образцы устанавливались в оправку, затем оправка размещалась на плоскости круга. Устанавливался скоростной режим, при котором круг совершал один оборот примерно за 3 секунды. Включался обдув для удаления продуктов износа из зоны трения. По достижении 500 циклов (оборотов) вращение останавливалось. Испытания с нагрузкой Р2 проводились аналогично предыдущим.
По каждой партии образцов из 6 штук была определена средняя величина линейного, массового износов и изменение твёрдости по каждому эксперименту (табл. 1 и 2).
Таблица 1
Результаты испытаний на износ при давлении Р = 27,3 кПа
№ образца Деталь, марка материала Состояние образцов Твёрдость до испытаний Твёрдость после испытаний Линейный износ, мм Массовый износ, г
1-6 Палец, сталь 38ХН3МА Вырезаны из пальца 25 НЯС 26,1 НRС 0,334 0,434
7-12 Отжиг 30,3 НRС 31,3 НRС 0,291 0,402
13-18 Отжиг, закалка и высокий отпуск по технологии завода-изготовителя 38,3 НRС 41 НRС 0,31 0,39
19-24 Отжиг, закалка и низкий отпуск 49,6 НRС 53,6 НRС 0,172 0,215
1-6 Втулка, сталь 110Г13Л Вырезаны из втулки 81 ЖВ 80,6 НRВ 0,108 0,085
7-12 Закалка по технологии завода-изготовителя 87,8 НRВ 86,7 НRВ 0,049 0,082
Таблица 2
Результаты испытаний на износ при давлении Р = 47,4 кПа
№ образца Деталь, марка материала Состояние образцов Твёрдость до испытаний Твёрдость после испытаний Линейный износ, мм Массовый износ, г
1-6 Палец, сталь 38ХН3МА Вырезаны из пальца 26,1 НRС 25,9 НRС 0,632 0,861
7-12 Отжиг 31,3 НRС 33,1 НRС 0,695 0,921
13-18 Отжиг, закалка и высокий отпуск по технологии завода-изготовителя 41 ЖС 40,5 НRС 0,701 0,929
19-24 Отжиг, закалка и низкий отпуск 53,6 НRС 54 НRС 0,265 0,345
1-6 Втулка, сталь 110Г13Л Вырезаны из втулки 80,6 НRВ 82,3 НRВ 0,169 0,196
7-12 Закалка по технологии завода-изготовителя 86,7 НRВ 86,8 НRВ 0,14 0,18
Полученные данные стали исходными величинами для анализа и построения зависимостей, представленных на рис. 1-4.
Рис. 1. Зависимость массового и линейного износов от твёрдости материала деталей узла при нагрузке 27,3 кПа
Рис. 2. Зависимость износостойкости от твёрдости материала деталей узла при нагрузке 27,3 кПа
Рис. 3. Зависимость массового и линейного износов от твёрдости материала деталей узла при нагрузке 47,4 кПа
Рис. 4. Зависимость износостойкости от твёрдости материала деталей узла при нагрузке 47,4 кПа
Измерение твёрдости в экспериментах № 1 и 2 показало, что она изменилась незначительно, в пределах 1.4 единиц по шкале НЯС, как в сторону увеличения, так и снижения.
При давлении на образец Р = 27,3 кПа максимальный линейный и массовый износ был у образцов из стали 38ХН3МА № 1-6, имеющих низкую твёрдость, а минимальный - № 19-24 -при твердости 53,6 НЯС. Самый низкий износ показала сталь 110Г13Л, изготовленная по техническим требованиям завода при твердости поверхности 86.87 НЯ£.
При давлении на поверхности образца Р = 47,4 кПа для стали 38ХН3МА картина зависимости изменилась: с увеличением твёрдости износ увеличивается для образцов из партий № 7-12 и № 13-18. И только на образцах № 19-24 износ резко уменьшился - до 2,5 раз.
У образцов из стали 110Г13Л самый малый износ был у изготовленных по техническим требованиям завода-изготовителя. Это самый малый износ при твёрдости 86.87 НЯ£ по сравнению со сталью 38ХН3МА, имеющей твердость около 54 НЯС.
Таким образом, по результатам эксперимента можно сделать следующие выводы.
1. Твёрдость в процессе эксперимента практически не изменилась.
2. Сталь 110Г13Л показала высокую износостойкость при невысоких нагрузках, если втулка будет изготовлена по технологии завода.
3. Сталь 38ХНМ3А показала высокую износостойкость при невысоких нагрузках, если палец будет подвергнут закалке и низкому отпуску. Эта технология термообработки не применяется заводом-изготовителем.
4. Технология завода при изготовлении деталей из стали 110Г13Л оправдывает максимальную износостойкость.
5. Для деталей из стали 38ХНМ3А, согласно результатам эксперимента, технология завода не оправдывает своё назначение.
В то же время энергетический критерий свф для стали 110Г13Л, по данным [9], (закалка) составил 36 ГПа, а для стали 38ХН3МА (закалка и высокий отпуск) - 62 ГПа, т. е. для стали 38ХН3МА предполагается более высокая износостойкость. Однако наши исследования показали более высокую надёжность стали 110Г13Л по износу, а низкий показатель критерия можно объяснить отсутствием или слабым деформационным упрочнением сплава в ходе эксперимента. Очевидно, что различие в структуре сплавов (аустенитная и перлитная) влияет на сопротивление абразивному изнашиванию.
Анализ предложенных критериев оценки абразивной стойкости сплавов и их сопоставление с результатами эксперимента позволяют констатировать, что надёжного оценочного комплекса пока не найдено.
Итак, на основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. Для повышения абразивной стойкости стали 110Г13Л необходима дополнительная упрочняющая технология обработки давлением.
2. Целесообразно увеличение твёрдости стали 38ХН3МА за счёт изменения технологии термообработки пальца.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Донских Д. Ф. Способы повышения надёжности шарнирного соединения черпаковой цепи дноуглубительных земснарядов / Д. Ф. Донских, Л. И. Погодаев // Трение, износ, смазка. 2010. Т. 13, № 44. С. 15-27.
2. Крагельский И. В. Основы расчётов на трение и износ / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин,
B. С. Комбалов. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.
3. Хрущёв М. М. Абразивное изнашивание / М. М. Хрущёв, М. А. Бабичев. М.: Наука, 1970. 252 с.
4. Козырев С. П. Гидроабразивный износ при кавитации / С. П. Козырев. М.: Машиностроение, 1971. 240 с.
5. Сущенко С. А. Ударно-абразивный износ и механические свойства наплавочных материалов /
C. А. Сущенко // Проблемы трения и изнашивания. 1990. Вып. 37. С. 34-38.
6. Сорокин Г. М. Аспекты металловедения в природе механического изнашивания / Г. М. Сорокин, В. Н. Малышев // Трение и износ. 2005. Т. 26, № 6. С. 598-607.
7. Сорокин Г. М. Трибология сталей и сплавов / Г. М. Сорокин. М.: Недра, 2000. 317 с.
8. Цветков Ю. Н. Напряжённое состояние металлов при изнашивающем воздействии абразива / Ю. Н. Цветков, Л. И. Погодаев. СПб.: ИИЦ ФГОУ ВПО СПГУВК, 2004. 94 с.
9. Марочник сталей и сплавов / Под общ. ред. В. Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.
REFERENCES
1. Donskikh D. F., Pogodaev L. I. Sposoby povysheniia nadezhnosti shamimogo soedineniia cherpakovoi tsepi dnouglubitel'nykh zemsnariadov [Methods of increase in reliability of the joint of scoop chain of the dredgers]. Trenie, iznos, smazka, 2010, vol. 13, no. 44, pp. 15-27.
2. Kragel'skii I. V., Dobychin M. N., Kombalov V. S. Osnovy raschetov na trenie i iznos [Bases of calculations on friction and wear]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1977. 526 p.
3. Khrushchev M. M., Babichev M. A. Abrazivnoe iznashivanie [Abrasive weariness]. Moscow, Nauka Publ., 1970. 252 p.
4. Kozyrev S. P. Gidroabrazivnyi iznos pri kavitatsii [Hydro-abrasive weariness at cavitation]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1971. 240 p.
5. Sushchenko S. A. Udarno-abrazivnyi iznos i mekhanicheskie svoistva naplavochnykh materialov [Impact resistance and mechanical characteristics of fillers]. Problemy treniia i iznashivaniia, 1990, iss. 37, pp. 34-38.
6. Sorokin G. M., Malyshev V. N. Aspekty metallovedeniia v prirode mekhanicheskogo iznashivaniia [Aspects of metal studies in view of mechanical resistance]. Trenie i iznos, 2005, vol. 26, no. 6, pp. 598-607.
7. Sorokin G. M. Tribologiia stalei i splavov [Tribology of steel and alloys]. Moscow, Nedra Publ., 2000. 317 p.
8. Tsvetkov Iu. N., Pogodaev L. I. Napriazhennoe sostoianie metallov pri iznashivaiushchem vozdeistvii abraziva [Stressed condition of the metals at wear abrasive impact]. Saint Petersburg, IITs FGOU VPO SPGUVK, 2004. 94 p.
1. Marochnik stalei i splavov [Branding of steel and alloy]. Pod obshchei redaktsiei V. G. Sorokina. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1989. 640 p
Статья поступила в редакцию 22.11.2013, в окончательном варианте - 20.01.2014
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Петровский Валерий Александрович - Астраханский государственный технический университет; ассистент кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; [email protected].
Petrovskiy Valeriy Aleksandrovich - Astrakhan Technical State University; Assistant of the Department "Shipbuilding and Energetic Complexes of Marine Equipment"; [email protected].
Рубан Анатолий Рашидович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; зав. кафедрой «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; [email protected].
Ruban Anatoliy Rashidovich - Astrakhan Technical State University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Head of the Department "Shipbuilding and Energetic Complexes of Marine Equipment"; [email protected].
