CC BY
49
Рисунок 3 - Увеличение значения перегрузки для каждого акселерометра в процентах
ЛИТЕРАТУРА
1. Наседкин А.В., Тюлевин С.В., Пиганов М.Н. Методика производственных испытаний электронных узлов II Вестник СГАУ, 2012. №7. С. 76-84.
2. Jurcius A., Valiulis A.V., Cernaséjus O. Influence of vibratory stress relief on residual stresses in weldments and mechanical properties of structural steel joint ll Journal of Vibroengi-neering. - 2010. - 12. - 1. Р. 133-141.
3. Семухин Б. С. Определение напряжений в сварных швах и методика их понижения l Б. С. Семухин, О.Н. Нехорошков, В.А. Клименов, В.Н. Музалев ll Структура и свойства металлов. - 2014. С. 222-226.
4. Sun M.C., Sun Y.H., Wang R.K. Vibratory stress relieving of welded sheet steels of low alloy high strength steel llMaterials Letters. -2004. - Vol. 58. В 7-8. Р. 1396-1399.
5. Летуновский А.П., Антонов А.А., Стеклов О.И. Снятие остаточных напряжений низкочастотной виброобработкой II Заготовительные производства в машиностроении. - В 8. - 2012 [Электронный ресурс]. URL: http:llwww.magnitsp.rularticleslsnyatie_ostatochnykh_napryazheniy_nizkochastotnoy-_vibroobrabotkoyI (Дата обращения 10.11.2017).
6. Adams C.M., Klauba B.B. Productive applications of mechanical vibrations ll American Society of Mechanical Engineers: reprint. - May 20, 2005.
УДК 672.82.024
Абразумов В.В., Котенко В.Д., Синюков Н.В., Толчеев А.В.
ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана), Мытищинский филиал, Московская обл., Мы-тищи-5, Россия
УПРОЧНЯЮЩАЯ ОБРАБОТКА НОЖЕЙ РУБИЛЬНЫХ МАШИН В УСЛОВИЯХ МАЛЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Для производства древесной щепы, используемой как для изготовления древесных композиционных материалов, так и различных видов топлива, используются рубильные машины. Рабочие органы таких машин снабжены ножами, которые превращают древесное сырьё в щепу. Инструментальные материалы, используемые для изготовления ножей рубильных машин, должны обладать высокими показателями динамической прочности и износостойкости. Проведенные исследования показали, что для изготовления ножей рубильных машин бюджетного класса могут использоваться достаточно дешёвые инструментальные стали, подвергнутые специальной термической обработке. Для реновации ножей в условиях лесозаготовительных предприятий также могут использоваться материалы отслуживших рамных, ленточных и круглых пил, а требуемые свойства могут быть обеспечены применением технологии термомеханической обработки
Ключевые слова:
РУБИЛЬНЫЕ МАШИНЫ, НОЖИ, РЕНОВАЦИЯ, ЗАКАЛКА, ОТПУСК, ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Рубильные машины применяются как для произ- Большая номенклатура используемых ножей импорт-водства высококачественной щепы, используемой ного производства требует затрат валютных при изготовлении древесных композиционных мате- средств, поэтому совершенствование технологии их риалов, так и для переработки в щепу древесных упрочняющей обработки, которую можно реализовать отходов (веток, сучьев, тонкомерных деревьев) в условиях малых предприятий, специализирующихся при разработке лесосек лесозаготовителями, в ле- на производстве рубильной техники и инструментов сопарковых хозяйствах, а также в быту. Большой к ней, может представлять практический интерес. объём щепы перерабатывается также в различные Главным препятствием для организации производ-виды топлива [1]. ства ножей рубильных машин на этих предприятиях
Передвижные рубильные машины на базе колесных является отсутствие необходимых знаний и опыта тракторов, а также машины стационарного типа с для проведения качественной упрочняющей обра-электрическим приводом, применяемые в условиях ботки углеродистых и легированных инструменталь-малых производств, относятся, как правило, к ма- ных сталей, которая могла бы обеспечить необхо-шинам бюджетного класса и оснащаются дисковым димые эксплуатационные свойства изделий. рабочим органом с числом ножей не более шести В данной работе представлены результаты ис-
[2]. следований термической обработки ножей рубильных
В настоящее время применяются машины как оте- машин из инструментальных сталей, а также рас-чественного, так и импортного производства [3]. смотрены вопросы технологии реновации ножей, отработавших свой срок эксплуатации.
Характерными особенностями работы ножей рубильных машин являются большие динамические нагрузки, возникающие в режущей части ножа при резании древесины, особенно сухостойной, а также интенсивный износ режущего лезвия ножа в условиях повышенной загрязненности древесины абра-зивосодержащими частицами (кварцевый песок, глина и др.). Износ режущего лезвия ножа происходит в результате хрупкого разрушения его на начальном этапе резания и последующего абразивного изнашивания по задней поверхности [4, 5]. Инструментальный материал должен обладать одновременно высокими показателями динамической прочности и износостойкости, что необходимо для сохранения требуемой остроты лезвия и исключения
Стали для ножей
его хрупкого разрушения в процессе резания древесины.
Анализ номенклатуры инструментальных сталей отечественного и импортного производства, нашедших применение для ножей рубильных машин всех типов, показал, что наилучшими эксплуатационными свойствами обладают ножи из штамповой стали. Это обусловлено сочетанием высокой ударной вязкости и твердости этих материалов, а также циклической прочности.
В табл. 1 представлены марки инструментальных сталей отечественного и импортного производства, которые в наибольшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к этому типу инструментов.
Таблица 1
рубильных машин
Страна Марка стали Российский аналог
Россия 5Х2СФ, 6ХС, 6ХВ2С, 6Х3МФС, 9ХФ -
Германия DIN 1.3355, 1.3343, 1.2379, 1.2631, 1.2362 9Х, 9ХФ, 6Х2ВС, Х6ВФ, Р6М3
В настоящее время одним из крупнейших производителей в Европе промышленных ножей для рубильных машин является фирма PILANA TOOLS KNIVES, которая изготавливает ножи из специально разработанных сталей.
В рубильных машинах для переработки древесных отходов в щепу, которая утилизируется непосредственно на лесосеках путем разбрасывания ее на почвенный покров и к которой не предъявляются особые требования по гранулометрическому составу, ножи могут быть изготовлены из дешёвых углеродистых (У8, У8А) и легированных (6ХС, 9ХФ) инструментальных сталей.
Основными факторами, влияющими на работоспособность рубильных ножей, кроме химического состава сталей, являются выбор оптимальных режимов упрочняющей термической обработки, конструкционные особенности инструмента и строгое соблюдение технологической дисциплины, которая зачастую является определяющей в получении качественного изделия.
Для исследования режущих свойств инструментальных сталей рубильных ножей были выбраны углеродистая сталь У8А и легированная сталь 9ХФ. Эти стали в полной мере отвечают требованиям по эксплуатационным и экономическим показателям к ножам дисковых рубильных машин, используемых для переработки древесных отходов.
Термическая обработка (ТО) углеродистых сталей достаточно хорошо изучена, для таких сталей разработаны стандартные режимы ТО, которые успешно реализуются на практике. Но есть некоторые особенности этих сталей, которые выпадают из поля зрения термистов и не принимаются во внимание. Возможности этих сплавов еще далеко не исчерпаны. Скрытые резервы могут быть очень полезны именно для инструмента, испытывающего ударные нагрузки.
Как известно, сталь У8А содержит кроме основного легирующего элемента (углерод) примеси, которые появляются в стали в результате технологического процесса раскисления (марганец, кремний, алюминий), и примеси (никель, хром и медь) из металлолома при производстве стали. Эти примеси могут оказывать влияние на прокаливаемость стали.
Сталь У8А имеет ферритно-цементитную структуру, в которой практически весь углерод находится в виде карбидов железа ЕезС. Вторичные карбиды отсутствуют, и это обеспечивает относительно высокую пластичность за счет однородности структуры. С другой стороны отсутствие вторичных карбидов, которые сдерживают рост аустенитного зерна при нагреве, а также высокая скорость рекристаллизации после пластической деформации накладывают определенные требования на режимы термической обработки. Эта сталь очень чувствительна к перегреву: повышение температуры закалки на 15...20 °С приводит к значительному росту
зерна аустенита и, соответственно, к снижению прочности и вязкости стали.
Очень большое значение имеет формирование структуры стали перед окончательной термической обработкой - закалкой. Эта сталь имеет очень малый период распада переохлажденного аустенита, что может привести к образованию мягких пятен и появлению закалочных трещин. Она также весьма чувствительна к выбору охлаждающей среды при закалке. Охлаждение в одном охладителе (воде), что делается для этой стали традиционно, нежелательно. Более предпочтительной является закалка в двух средах: сначала вода, а затем масло.
Большое значение для получения качественных результатов термической обработки стали этой стали имеет предварительная термическая обработка. Здесь заложены большие резервы, которые практически не используются при термической обработке в условиях серийного производства. Правильный выбор режимов предварительной термической обработки и их грамотная реализация, предполагающая ряд технологических операций и требующая строгого контроля на каждом этапе обработки, могут существенно повысить ударную вязкость закаленного инструмента.
Особенности легированной стали 9ХФ состоят в следующем. Наличие в ее составе хрома и ванадия оказывает влияние на механические и теплофизи-ческие свойства стали. Хром в небольших количествах повышает прочность легированного феррита, относительное удлинение, практически не снижает ударную вязкость, несколько снижает теплопроводность стали, которая в значительной степени зависит от температуры сплава. Он повышает прока-ливаемость стали и увеличивает период стойкости переохлажденного аустенита, что существенно влияет на режимы термической обработки этой стали. Содержание ванадия в сталях в пределах 0,2...0,4% повышает прочность и твердость стали, снижает склонность зерна аустенита к росту. Эта сталь обладает повышенной вязкостью, что позволяет режущим инструментам из этой стали работать в условиях больших ударных нагрузок.
Предварительная термическая обработка сталей У8А и 9ХФ по специально разработанной технологии, которая гарантирует получение мелкозернистой структуры аустенита, позволяет после окончательной закалки и отпуска получить необходимые эксплуатационные характеристики. Режимы завершающей термообработки и получаемые свойства сталей приведены в табл. 2.
В технологических операциях механической обработки древесины и древесных материалов широко применяются рамные, ленточные и круглые пилы. Инструмент, отслуживший свой срок эксплуатации, может быть использован для реновации рубильных ножей в условиях самих лесозаготовительных предприятий. Эти предприятия, как правило, имеют ремонтную базу и кузнечно-прессовое оборудование,
которое может использоваться для выполнения тех- могут представлять интерес для производственни-нологических операций при реновации ножей ру- ков. бильных машин. Исследования в этом направлении
Таблица 2
_Режимы завершающей термической обработки сталей и свойства сталей_
Марка стали Твердость после отжига Закалка Отпуск
Температура, °С Среда Твердость НЯС Температура, °С Твердость, НЯС
9ХФ 240 860 масло 58.59 250 57.58
840 вода 63.65 320 54.56
У8А 185 780 вода + масло 60.62 240 56.58
При восстановлении геометрических параметров изношенных ножей рубильных машин применялась кузнечная сварка двухслойных или многослойных заготовок, набранных из пластин конструкционной (сталь 45) и инструментальной (9ХФ) сталей. Для этого предварительно подготовленные пластины формировались в пакеты, нагревались в горне до температуры ковки, обезжиривались флюсом на основе буры или смеси буры и тонкодисперсного кварцевого песка и проковывались на молоте до получения сварного соединения и требуемых геометрических размеров заготовок ножа.
Двухслойная или многослойная конструкция ножа обеспечивает сочетание высокой прочности за счет конструкционной стали, твердости и износостойкости режущей части за счет инструментальной стали. Заготовки ножей подвергались механической обработке, предварительной термической обработке, заключающейся в отжиге и нормализации для получения мелкозернистой структуры. На каждом этапе обработки производился контроль твердости.
Окончательная термическая обработка выполнялась по обычной технологии: закалка на мартенсит
Результаты окончательной терм
в масле и отпуск для получения требуемой твердости режущей части ножа в пределах 54...58 НЯС. Окончательная механическая обработка заключалась в плоском шлифовании поверхностей ножа и заточке.
Для улучшения эксплуатационных характеристик ножей помимо стандартной технологии были опробованы следующие виды упрочняющей обработки:
1. Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) с закалкой на мартенсит и отпуск.
Для этого отожженные заготовки ножей, полученных кузнечной сваркой, нагревались до аусте-нитного состояния, подвергались пластической деформации в подкладном штампе (степень деформации - 25%) и быстро охлаждались в масле. Измельченные в результате пластической деформации зерна аустенита позволяют получить после закалки более прочную и вязкую тонкоигольчатую структуру мартенсита. Необходимая твердость режущей части ножа достигалась путем отпуска. Режимы ТО и результаты замеров твердости заготовок ножей представлены в табл. 3.
Таблица 3
эской обработки стали после ВТМО
Марки сталей Режимы закалки Режимы отпуска
Температура закалки, 0С Ох-лаж-дающая среда Время выдержки, мин Твёрдость, ИКС Температура отпуска, 0С Время выдержки, мин Твёрдость, ИЯС
№ образца № образца
1 2 3 1 2 3
9ХФ + сталь 45 870 масло 20 63 65 61 420 60 56 58 55
870 масло 20 63 67 65 520 60 52 54 54
2. ВТМО с изотермической закалкой на нижний бейнит и низкий отпуск для снятия внутренних напряжений.
В этом случае опытные образцы подвергались пластической деформации в области аустенитного состояния со степенью деформации 25%, мгновенно охлаждались в воде с выдержкой 1с, перемещались в расплав калиевой селитры при температуре 320
0С и подвергались изотермической выдержке в течение 20 минут для получения структуры нижний бейнит. Особенностью этой структуры является сочетание высокой твердости, прочности и высокой пластичности стали.
Режимы ТО и результаты замеров твердости заготовок ножей представлены в табл. 4.
Таблица 4
Режимы изотермической закалки сталей
Режимы изотермической закалки Режимы отпуска
Темпе- Твёрдость, Твёрдость,
ратура Ох- Время ИЯС Темпе- Время ИЯС
Марки изотер- лаж- вы- № образца ратура вы- № образца
сталей мичес- даю- держ- отпус- держ-
кой выдержки, 0С щая среда ки, мин 1 2 3 ка, 0С ки, мин 1 2 3
9ХФ + сталь 45 320 Расплав калиевой се- 20 58 54 56 180 60 56 54 55
литры
Исследования по упрочняющей обработке ножей рубильных машин позволяют сделать следующие выводы:
1. Для изготовления ножей рубильных машин бюджетного класса целесообразно применение недорогих инструментальных сталей (У8А и 9ХФ). Требуемые эксплуатационные характеристики ножей из этих материалов могут быть обеспечены за счет
совершенствования технологии термической обработки.
2. Показана возможность использования материалов отслуживших рамных, ленточных и круглых пил для реновации ножей рубильных машин в условиях лесозаготовительных предприятий, причём требуемые свойства для таких ножей могут быть обеспечены применением технологии термомеханической обработки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Левин, А.Б. Энергетическое использование древесной биомассы: учебник / Ф. Б. Левин, Ю.П. Семенов, В.Г. Малинин, А.В. Хроменко; под ред. А.Б. Левина. М.: ИНФРА-М, 2016. - 199 с.
2. Абразумов, В.В. О механизме абразивного изнашивания задней поверхности режущего инструмента из твёрдых сплавов при обработке цементно-стружечных плит / Котенко В.Д. // Труды международного симпозиума Надёжность и качество. 2017. Т 2. С. 245 - 248.
3. Акинин, Д.В. Методика проектирования близкой к оптимальной структуры парка лесных машин / Д.В. Акинин, В. Ю. Прохоров, Г.О. Комаров // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 178-179.
4. Абразумов, В.В. Износостойкость инструмента при резании древесных композитов [Текст]: монография / В.В. Абразумов, В.Д. Котенко. М.: МГУЛ, 2009. - 170 с.
5. Быков, В.В. Новые материалы и покрытия для узлов трения навесного оборудования / В.В. Быков, В.Ю. Прохоров, Л.В. Окладников // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2. № 2-2 (7-2)■ С. 21-27.
УДК67.05 Беляков М.С.
ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана), Мытищинский филиал, Московская обл., Мы-тищи-5, Россия
АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВ, УСЛОВИЙ ПРИМЕНЕНИЯ И ИЗНОСА ЩЕТОК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПРИВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
В статье рассматривается вопрос о применении щеток электродвигателей приводов технологического оборудования лесопромышленных предприятий. Приведены основные характеристики щеток, применяемые в промышленности РФ. Рассмотрены причины, неисправностей, замены и увеличение срока работоспособности щеток
Ключевые слова:
ЩЕТКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ, ИЗНОС, УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
Щетки применяются в двигателях для электрической связи подвижной и неподвижной частей электродвигателей, практически во всех бытовых электроприборах, электроинструментах, а также во всех областях промышленности [1]. Токосъемные щетки - одна из наиболее часто выходящих из строя частей электродвигателя, замена которой приводит к простою производства, а следовательно к экономическим потерям. Щетки в электродвигателе создают контакт скользящего типа. Они выступают элементом механизма, который позволяет перевести механическую энергию в электрическую. В настоящее время актуальна задача повышения износостойкости щеток электродвигателей и увеличения времени их работы.
Щетки выпускаются вместе с проводниками. Их изготавливают из металла. Но существуют модификации и без проводников. Чтобы закрепить провод на конструкции щетки используется несколько разных вариантов - развальцовкой, впрессовкой, пайкой. При этом сами тоководы различаются марками. Они могут быть многожильными из медной проволоки (МПЩ), гибкими, отличающимися плетением из аналогичной проволоки (ПЩ), универсальными с повышенной степенью гибкости (ПЩС).
Рассматривая описание щеток для двигателей, нужно отметить наличие наконечников контактного типа на проводе. Они необходимы для более качественного крепления болтами держателей, расположенных на щетках. Для удобства такие наконечники различаются по форме - вилочные, флажковые, двойные и пластинчатые.
Электрощетки должны обеспечивать заданный режим функционирования основного и вспомогательного электрооборудования с минимальными расходами на ремонтно-обслуживающие работы. Поэтому к ним предъявляются определенные требования:
1. Безопасность и надежность коммутационного контакта без искрения и риска замыкания на обмотках;
2. Недопущение нарушений контактного прилегания с движущимися компонентами агрегата;
3. Устранение потерь электроэнергии в контакте скользящего типа;
4. Прочность к механическим воздействиям, сопротивление трению;
5. Износоустойчивость материала.
В настоящее время применяются следующие виды щеток:
Угольно-графитные щетки: (Г-3, Г-20, Г-21, Г-21А) используется, когда требуется работа при очень высоких скоростях или на малых скоростях с низкой плотностью тока. Они не слишком проч-
ные, поэтому применяются в устройствах с минимальной нагрузкой механического типа. Применяются в машинах постоянного тока и коллекторных машинах переменного тока, электродвигателях бытовой техники, двигателях электрических машин, работающих в условиях пониженного атмосферного давления.
Электрографитные щетки: (ЭГ-2А, ЭГ-4, ЭГ-7 4, ЭГ-64К) являются наиболее распространенным классом, хорошо переносят перегрузки. Отличаются высокой прочностью, гарантируют контакт среднего уровня с повышенными токонагрузками. Применяются в электрических машинах, генераторах и тяговых электродвигателях для железнодорожного транспорта, экскаваторах, металлургической промышленности, генераторах постоянного тока автотракторного электрооборудования, электрических машинах с тяжелыми условиями коммутации т.п.
Медно-графитовые щетки: (МГ-4, МГС-5, МГС-20, МГСО) содержат 15-95% меди или медных сплавов. Имеют более высокую проводимость и малое падение напряжения позволяет использовать их с очень высокими плотностями тока при низких напряжениях. Применяются в электрических машинах, генераторах, преобразователях тока, асинхронных двигателях, стартерах, низковольтных машинах с высокой плотностью тока, моторредукторах, исполнительных механизмах для автомобильного транспорта.
Серебро-графитные щетки: (СГ1, СГ1М, СГИ1, СГН88) содержат серебро в количестве 15-95%. Имеют более высокую проводимость и малое падение напряжения что позволяет так же использовать их с очень высокими плотностями тока при низких напряжениях. Области применения: тахогенера-торы; синхроноскопы; микродвигатели с низким напряжением, передатчики сигналов измерения.
Способ изготовления электрощёточных материалов включает изготовление заготовок щёток путём прессования из графита, кокса и различных связующих материалов с добавлением меди или серебра, с последующей термической обработкой при 1500 - 3000 °С.
Роль щеток в электродвигателе неоспорима. Поэтому целесообразно минимизировать действие факторов, которые приводят к их неисправности. В частности, опасность вызывает такое явление, как искрение щеток. Оно проявляется по следующим причинам:
1. Нагар и грязь на коллекторе. Требуется произвести очистку при помощи наждачной бумаги.
