Научная статья на тему 'Триботехнические характеристики деталей горных машин с регулярной микрогеометрией поверхности'

Триботехнические характеристики деталей горных машин с регулярной микрогеометрией поверхности Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
223
54
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Металлообработка
ВАК
Ключевые слова
ВИБРОНАКАТЫВАНИЕ / РЕГУЛЯРНЫЙ МИКРОРЕЛЬЕФ / REGULAR ROUGHNESS / ПАРА ТРЕНИЯ / FRICTION PAIR / ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ / WEAR RESISTANCE / ФРЕТТИНГОСТОЙКОСТЬ / VIBRATION BURNISHING / FRETTING RESISTANCE

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Красный Виктор Адольфович, Максаров Вячеслав Викторович

Рассмотрены технологические возможности метода вибронакатывания с образованием регулярного микрорельефа поверхности для повышения эксплуатационных свойств деталей машин. Приведены результаты исследований по повышению износостойкости и фреттингостойкости поверхностей деталей с регулярной микрогеометрией как в условиях смазки, так и при ее отсутствии, в том числе для высоконагруженных узлов горных машин, нередко работающих при значительных вибрациях. Приведены триботехнические характеристики поверхностей деталей, полученных методом вибронакатывания, в сравнении с рядом износостойких покрытий в условиях фреттинг-коррозии.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Красный Виктор Адольфович, Максаров Вячеслав Викторович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Tribological properties of mining machine parts with regular microgeometry of the surface

The technological possibilities of the method vibration burnishing to form a regular microgeometry surface to enhance performance properties of machine parts. The results of studies to improve the wear resistance and fretting resistance surfaces of parts with regular microgeometry in lubrication conditions, and in its absence, including for heavy mining machinery units, often working under extreme vibration. The comparative method vibration burnishing of tribological characteristics compared with a number of wear-resistant coatings in the conditions of fretting.

Текст научной работы на тему «Триботехнические характеристики деталей горных машин с регулярной микрогеометрией поверхности»

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА_

УДК 621.9.015: 620.193

Триботехнические характеристики деталей горных машин с регулярной микрогеометрией поверхности

В. А. Красный, В. В. Максаров

Рассмотрены технологические возможности метода вибронакатывания с образованием регулярного микрорельефа поверхности для повышения эксплуатационных свойств деталей машин. Приведены результаты исследований по повышению износостойкости и фреттингостойкости поверхностей деталей с регулярной микрогеометрией как в условиях смазки, так и при ее отсутствии, в том числе для высоконагруженныхузлов горных машин, нередко работающих при значительных вибрациях. Приведены триботехнические характеристики поверхностей деталей, полученных методом вибронакатывания, в сравнении с рядом износостойких покрытий в условиях фреттинг-коррозии.

Ключевые слова: вибронакатывание, регулярный микрорельеф, пара трения, износостойкость, фрет-тингостойкость.

Введение

Одной из важнейших задач общего, в том числе и горного, машиностроения является повышение эксплуатационных свойств деталей машин, тесно связанное с обеспечением требуемых параметров микрогеометрии рабочих поверхностей и методами чистовой и отделочной обработки.

В настоящее время в шахтах и карьерах используют различные виды горного, транспортного и обогатительного оборудования большой мощности, а также сверхмощное оборудование, работающее в условиях повышенных нагрузок и вибраций. Возникающие при эксплуатации нагрузки нередко являются причинами значительных износов ответственных деталей, приводящих в ряде случаев к экстремальным видам изнашивания, таким как задир, схватывание, заедание, фреттинг-коррозия. Типовыми деталями и сборочными единицами горных машин и агрегатов, в которых чаще всего возникают подобные повреждения, являются подшипники качения, муфты, фланцы, зубчатые передачи, шарнирные соединения, вариаторы, шлицевые и шпоночные соединения, болтовые и заклепочные соединения, замки лопаток турбин, канаты,

клапаны и золотники гидросистем, толкатели кулачковых механизмов, рессоры, а также детали высоконагруженных узлов двигателей внутреннего сгорания карьерных автосамосвалов и локомотивов [1].

Фреттинг-коррозия — вид изнашивания, проявляющееся при вибрациях номинально неподвижных деталей, когда вследствие минимальной амплитуды трения продукты износа не выводятся из зоны контакта, оказывая значительное влияние на механизм изнашивания [2]. Фреттинг-коррозия нередко становится причиной выхода из строя ряда ответственных узлов двигателей внутреннего сгорания, в частности большегрузных карьерных автосамосвалов, деталей буровой техники и других, работающих в условиях вибраций и высоких контактных нагрузок. Развитие фреттинг-коррозионных повреждений наблюдается в крупногабаритных тепловозных и судовых дизелях на сопряжениях наружной поверхности («затылка») вкладышей с постелью подшипника коленчатого вала, а также при контакте опорной поверхности рубашки втулки рабочего цилиндра с опорной поверхностью остова [3]. Подобные явления имели место на сопряжении боковой поверхности крышки коренного подшипника коленчатого вала и

МЕТАЛЛ00 ВРАБОТКА

блока дизельных двигателей большегрузных карьерных автосамосвалов [4].

На большинстве горно-обогатительных комбинатов режимы эксплуатации схожи и различаются в основном климатическими и дорожными условиями транспортировки горной массы. Характер вывоза породы тоже, за редким исключением, одинаков, т. е. с грузом — вверх, без груза — вниз. Эксплуатация двигателей автотранспорта характеризуется работой на неустановившихся режимах. Смена режимов при горных работах производится в среднем 15—20 раз за рейс, что составляет примерно 30—40 переходов с режима на режим в час. Следствием перегрузочных режимов работы дизелей является увеличение смещений, изгиба и скручивания сопрягаемых деталей, в первую очередь крышки коренного подшипника и блока-картера, что и приводит к возникновению и развитию фреттинг-коррозии.

Для предотвращения их повреждений обычно используют различные покрытия рабочих поверхностей деталей. В то же время в ряде случаев положительные результаты может дать применение специальных методов обработки поверхности, основанных на поверхностно-пластическом деформировании поверхностных слоев изделия, таких как вибронакатывание поверхности с образованием регулярного микрорельефа.

Необходимость создания регулярных микрорельефов возникает в связи с тем, что использование традиционных методов обработки (точение, шлифование, доводка) не обеспечивает требуемые условия эксплуатации, создавая хаотический и трудноуправляемый микрорельеф поверхности. При этом, несмотря на идентичность высотных параметров шероховатости Яа, возникает микрорельеф, далекий от оптимального в отношении формы и расположения неровностей с чрезмерно заостренными на выступах и во впадинах неровностями с малым шагом (рис. 1, а, б). Эти способы обработки практически исключают возможность управлять такими параметрами микрогеометрии, как форма выступов и впадин, число их на единицу площади, расположение как относительно друг друга, так и направления дорожки трения. В то же время при использовании вибронакатывания при той же высоте шероховатости получают

а)

1,25

б)

в)

Рис. 1. Профилограммы поверхностей, обработанных различными способами: а — точение; б — шлифование; в — вибронакатывание

однородный регулярный микрорельеф с возможностью его плавного варьирования в процессе обработки (рис. 1, в) [5, 6].

Вибронакатывание представляет собой поверхностно-пластическое деформирование металла под действием жесткого индентора (закаленного ролика или алмазного наконечника), внедряемого в поверхность изделия и совершающего относительные перемещения, как показано на рис. 2. Рельеф поверхности может быть разнообразен и точно регулироваться в широком диапазоне значений путем изменения скорости или частоты вращения п заготовки либо подачи в инструмента. Например, изменение только подачи инструмента позволяет получать четыре вида регулярного микрорельефа поверхности.

Таким образом, для большинства деталей, используемых в узлах горных машин, применение вибронакатывания с образованием одного из видов регулярного микрорельефа, является технологически приемлемым и может быть реализовано.

Повышение износостойкости деталей машин с регулярным микрорельефом

Многолетними исследованиями, проведенными под руководством профессора Ю. Г. Шней-дера [5, 6], подтверждено положительное влияние обработки поверхности вибронакатыванием с образованием регулярного микро-

рельефа на такие эксплуатационные характеристики ряда деталей машин, как срок службы и надежность, износостойкость, период приработки, потери на износ, контактная жесткость и усталостная прочность, коррозионная стойкость и т. д.

В настоящей статье представлены результаты некоторых исследований по установлению зависимости между параметрами регулярного микрорельефа и характеристиками износостойкости пар трения.

Одним из факторов, влияющих на процессы трения и изнашивания, является смазочная способность поверхностей. Наличие регулярного микрорельефа способствует удержанию смазочного материала и облегчению его распространения по поверхности, особенно в период приработки. На рис. 3 показана за-

Рис. 2. Схемы вибронакатывания поверхностей различной формы; а — цилиндрической; б — торцевой; в — плоской; г — сферической; д — профильной; е — винтовой; ж — эвольвентной

висимость длительности приработки и прира-боточного износа от видов обработки. В качестве материала пар трения применяли бронзу и сталь 50 с принудительной смазкой. Как износ, так и период приработки существенно ниже при использовании регулярного микрорельефа. Повышение износостойкости в период приработки объясняется упрочнением поверхностного слоя, а одновременное уменьшение продолжительности приработки — доминирующим влиянием улучшенного микрорельефа и регуляризации формы и размера канавок.

Детали машин наиболее уязвимы при возникновении таких аномальных видов изнашивания, как схватывание и задир. Следует отметить, что кривая, выражающая соотношение между сопротивлением схватыванию и параметрами обработки, влияющими на шероховатость, имеет оптимальную точку. Это иллюстрирует рис. 4, где показана зависимость сопротивления задиру от скорости вибронакатывания со смазочным материалом 1 и без него 2.

30

25

и

S 20

29

25

Период

приработки, мин

7,3

Износ, мг

~Т9~

6

15

5,6

4,5

I

II

III

IV

V

Рис. 3. Зависимость длительности приработки и приработочного износа от вида обработки:

I — точение; II — шлифование; III — доводка; IV — обкатывание; V — вибронакатывание

25 40 55 70 85

Скорость вибронакатывания, м/с

100

Рис. 4. Зависимость сопротивления схватыванию от скорости вибронакатывания:

1 — при наличии смазочного материала; 2 — без смазочного материала

463

й 413

316

313

196

392

Нагрузка, Па

588

784

Рис. 5. Зависимость температуры от нагрузки при обработке:

1 — шлифование; 2 — вибронакатывание

В очередной серии испытаний было исследовано влияние нагрузки при различных видах обработки на температуру в зоне трения (рис. 5), характеризующее сопротивление схватыванию после шлифования и вибронакатывания. Кривая 1 показывает возникновение задира для шлифованной поверхности при нагрузке 4,9 МПа. При всех испытаниях в равных условиях (давление, скорость, смазка) вибронакатанные образцы имели температуру на поверхности ниже на 52 °С, чем при шлифовании, при этом ни один образец не подвергался задиру.

В работах [5-7] приводятся также результаты исследований по влиянию обработки вибронакатыванием на ряд других характеристик износостойкости деталей машин, работающих в различных условиях, свидетельствующие о перспективности применения указанного метода для высоконагруженных узлов трения.

Влияние регулярного микрорельефа

на сопротивление фреттинг-коррозии

Характер влияния микрогеометрии контактирующих поверхностей на сопротивление фреттингу еще не ясен. Помимо коррозии на состояние контактирующих поверхностей при малых амплитудах скольжения влияют усталостная прочность и устойчивость к коррозии [4, 8].

Фреттинг-коррозию исследовали на виброна-катанных и шлифованных образцах. Образец в виде втулки подвергали возвратно-вращательному движению и прижимали к неподвижному контробразцу с изменением амплитуды вибрации и нагрузки. Образцы и контробразцы из стали 20 испытывали при нагрузке 20 МПа и амплитуде колебаний 100 мкм при частоте колебаний 900 Гц. Образцы из серого чугуна и контробразцы из стали 20 испытывали при нагрузке 87 МПа с амплитудой колебаний 50 мкм при частоте 500 Гц. Результаты испытаний (по массовому и объемному износу) после 500 000 циклов представлены на рис. 6. При этом указанная разница сохраняется при использовании как гальванических покрытий, так и полимерных. Вибронакатанные образцы показали износостойкость при фреттинге

0

п

ШШШМБОТКА

на 30-35 % меньше, чем шлифованные, при смазке эта разница составляет 25-30 %.

На поверхностях трения шлифованных образцов наблюдаются типичные для фреттинг-износа участки рельефа в виде каверн, заполненных окисленными частицами износа (рис. 7, а). Об окислении свидетельствует специфический эффект накопления заряда на плохо проводящей поверхности окисленных частиц, что ухудшает контрастность изображения и создает впечатление «свечения» под действием электронного пучка. На дорожке трения встречаются и участки, покрытые частицами размером несколько микрометров без следов окисления, на которых видны трещины хрупкого разрушения. По-видимому, эти частицы являются карбидными или другими характерными для сталей включениями, результатом разрушения в процессе трения перлитных прослоек и т. п.

Несколько иной механизм повышения износостойкости реализуется для вибронака-танных образцов с формированием регулярного микрорельефа. На рис. 7, б видно, что поверхность дорожки трения разбита на отдельные фасетки, масштаб которых соизмерим с амплитудой смещения при фреттинге. В пределах отдельной фасетки кроме обычных бороздок в направлении скольжения не видно формирования каких-либо специфических поверхностных слоев со структурой, отличной от структуры исходной стали. Вероятно, такой фасеточный характер дорожки трения отражает процесс дробления волн напряжений и деформаций на поверхности с регулярным микрорельефом, что и вносит значительный вклад в эффект повышения фреттингостой-кости.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что износ стальных и чугунных образцов после обработки вибронакатыванием с образованием регулярного микрорельефа в условиях фреттинга соизмерим с износом образцов с гальваническими и напыляемыми покрытиями, фрикционно-механиче-ским латунированием, лазерным упрочнением, а в ряде случаев более предпочтителен. На рис. 8 показаны результаты испытаний стальных образцов и контробразцов. Условия испытаний (нормальное давление 25 МПа, амплитуда 100 мкм, частота 900 циклов в минуту)

20

16

12

о н

» 8

2

ш

3

У / / /

Шлифование Вибронака- Шлифование Вибронакатывание тывание

Рис. 6. Зависимость фреттинг-износа от вида обработки:

1, 2 — образцы и контробразцы из стали; 3, 4 — образцы из чугуна, контробразцы из стали

а)

б)

Рис. 7. Дорожка трения при фреттинге на стальной поверхности: а — шлифование; б — вибронакатывание

имитируют реальные условия, возникающие при эксплуатации нагруженных узлов горных машин. Число циклов испытаний 5 X 105. Износ стальных вибронакатанных образцов за время испытаний оказался меньшим, чем при нанесении покрытий и незначительно превысил износ образцов, обработанных лазером, и с покрытием напыленным молибденом, при

4

4

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

0

миттшгш

а)

35

30

25

20

15

10

3 4

7 8

кослойных покрытий, при котором сохраняются натяги, предусмотренные при сборке узла.

Влияние регулярного микрорельефа на развитие фреттинг-коррозионных повреждений отмечается также в работах [9-13].

Таким образом, проведенными исследованиями доказано положительное влияние вибронакатывания поверхности с образованием регулярного микрорельефа на ряд триботех-нических характеристик деталей машин.

Применение указанного метода обработки представляется весьма перспективным для нагруженных узлов горных машин и способно значительно повысить их эксплуатационные характеристики.

Заключение

5

0

1

6

5

б)

25

20

15

I

Ы 10

Р7

У/

'/А

I

I

-V

2

¥7,

4

78

Рис. 8. Результаты испытаний на фреттинг-износ: а — износ образцов; б — износ контробразцов;

1 — без покрытия; 2 — с гальваническим покрытием медью толщиной 5-8 мкм; 3 — гальваническим покрытием медью толщиной 30 мкм; 4 — электролитическим покрытием бронзой толщиной 15 мкм; 5 — фрикционно-механическим латунированием толщиной 3-5 мкм; 6 — напыленные молибденом толщиной 0,2 мм; 7 — вибронакатанные с созданием регулярного микрорельефа; 8 — обработанные лазером в твердой фазе

этом износ контробразцов был незначительно меньшим лишь в случае обработки лазером.

Полученные результаты позволяют предположить, что в ряде случаев использование вибронакатывания с образованием регулярного микрорельефа может успешно конкурировать с более дорогостоящими вариантами специальных износостойких покрытий.

Весьма перспективным представляется сочетание вибронакатывания с нанесением тон-

1. В результате проведенных исследований установлено положительное влияние регулярного микрорельефа поверхности, полученного методом вибронакатывания, на ряд эксплуатационных характеристик деталей машин. Особенно эффективно применение этого метода для деталей пар трения, работающих в условиях высоких нагрузок и вибраций, характерных, в частности, для многих узлов горных машин.

2. Вибронакатывание с образованием регулярного микрорельефа поверхностей трения предоставляет значительные возможности для улучшения эксплуатационных, в первую очередь трибологических, характеристик деталей машин. Наиболее ярко эффект образования регулярного микрорельефа проявляется в жестких условиях изнашивания: предотвращение задиров, заеданий, снижение фреттинг-износа. Наличие регулярного микрорельефа повышает несущую способность поверхности, способствует сохранению смазочного материала в контакте, удалению продуктов износа. В условиях фреттинга регулярный микрорельеф способствует дроблению волн напряжений и деформаций на поверхности, тем самым повышая чувствительность к сдвигу и предотвращая развитие усталостных повреждений.

3. В условиях фреттинг-коррозии вибронакатывание с образованием регулярного микрорельефа способно конкурировать с традиционными методами нанесения покрытий (галь-

5

П

1

9

.9

К

Й

Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj

ваническими, напыляемыми и др.). При этом весьма перспективно сочетание вибронакатывания с нанесением тонкослойных покрытий, способных в еще большей степени уменьшить фреттинг-износ, не нарушая предусмотренных сборочных натягов.

4. Способ создания регулярного микрорельефа прост для технического применения и может быть использован для широкого круга деталей как общего, так и горного машиностроения, приборостроения и др.

Литература

1. Основы эксплуатации горных машин и оборудования / А. В. Гилев, В. Г. Чесноков, Н. Б. Лаврова [и др.] Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. 276 с.

2. Островский М. С. Фреттинг как причина снижения надежности горных машин // Горный информ.-аналит. бюл. 2011. Т. 3, № 12. С. 315-331.

3. Исследование фреттинг-коррозии в условиях высоких контактных нагрузок / В. П. Булатов, В. А. Красный, О. Ф. Киреенко, И. Н. Попов // Трение и износ. 1994. Т. 15, № 1. С. 101-108.

4. Красный В. А., Максаров В. В., Вьюшин Р. В. Влияние тонкослойных нанопокрытий на фреттинг-коррозию высоконагруженных сопряжений крупногабаритных деталей машин // Металлообработка. 2013. № 5-6. С. 63-67.

5. Шнейдер Ю. Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. Л.: Машиностроение, 1982. 248 с.

6. Шнейдер Ю. Г. Технология финишной обработки давлением. Справочник. СПб.: Политехника, 1998. 414 с.

7. Bulatov V. P., Krasnyy V. A., Schneider Y. G. Basics of machining methods to yield wear- and fretting-resistive surfaces, having regular roughness patterns / / Wear. 1997. Vol. 208. P. 132-137.

8. Максаров В. В., Красный В. А. Механизмы трения тонкослойных покрытий в условиях фреттинг-корро-зии // Науч.-техн. ведом. СПбГПУ. 2015. № 3 (226). С. 111-120.

9. Vadiraj A., Kamaraj M. Fretting wear and fretting fatigue studies of surface modified biomedical titanium alloys. In the volume: Titanium Alloys: Preparation, Properties and Applications. 2010. P. 143-233.

10. Stepien P. Regular surface texture generated by special grinding process // Journ. of Manufacturing Science and Engineering. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers. 2009. Т. 131, N 1. P. 01101510110157.

11. Fretting fatigue of biomaterials / Vadiraj A., Kamaraj M., Kamachi Mudali U., Raj B. // Transactions of the Indian Institute of Metals. 2005. Vol. 58, N 5. P. 911-929.

12. Varenberg M., Halperin G., Etsion I. Different aspects of the role of wear debris in fretting wear // Wear. 2002. Т. 252, N 11-12. P. 902-910.

13. Volchok A., Halperin G., Etsion I. The effect of surface regular microtopography on fretting fatigue life // Wear. 2002. Т. 253, N 3-4. P. 509-515.

Уважаемые авторы!

Для полноценной работы ссылок в Научной Электронной Библиотеке (НЭБ) просим вас предоставлять в статьях точные библиографические сведения об источниках цитирования.

Ссылки должны быть составлены согласно ГОСТ 7.0.5.-2008. Особое внимание просим уделять написанию названий издательств и журналов. Предпочтение отдается полной форме. В случае сокращенного написания, пожалуйста, сверяйтесь с принятой формой сокращения наименования данного журнала или издательства в НЭБ (в случае, если они зарегистрированы). В противном случае НЭБ не сможет идентифицировать ссылку. Ответственность за предоставляемую информацию несет автор.

С уважением, редакция журнала «Металлообработка»

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.