CC BY
16
УДК 631.3.02:621.791
ВЛИЯНИЕ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ УЗЛОВ ТРЕНИЯ, ВОССТАНОВЛЕННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ, НА ИХ ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Е. В. Пепеляева, канд. техн. наук;
А. М. Кашфуллин, канд. техн. наук;
С. Г. Гурьянов, канд. техн. наук,
ФГБОУ ВО Пермский ГАТУ,
ул. Петропавловская, 23, Пермь, Россия, 614990
E-mail: tsat@pgsha.ru
Аннотация. В работе исследованы зависимости коэффициента трения в сопрягаемых деталях, моделирующих работу пары трения «цапфа шестеренчатого насоса - втулка», для новых деталей и для восстановленных методом газопламенного напыления. Исследования проводились на кафедре технического сервиса и ремонта машин в ФГБОУ ВО Пермский ГАТУ. Образцы № 1 сталь 45 - бронза БрОЦС 5-5-5, образцы № 2 сталь 45 с газопламенным покрытием ПГ-12Н-02 - бронза БрОЦС 5-5-5. Поверхность подготовленных образцов была механически обработана до определенной шероховатости с использованием «тонкого» точения (Ra=0,4 мкм), «чистового» шлифования (Ra=0,25 мкм), «тонкого» шлифования (Ra=0,16 мкм), а также полирования (Кя=0,08 мкм). По результатам исследований установлено, что образцы с напыленными покрытиями имеют лучшие антифрикционные свойства, чем образцы без покрытий. Так, полученные значения коэффициентов трения при одинаковой механической обработке в образцах № 2 ниже в 1,5 - 2 раза, чем в образцах № 1. Также отмечено, что использование полирования в данных парах трения неэффективно, так как приводит к увеличению коэффициента трения, и, как следствие, - к снижению работоспособности сопрягаемых деталей.
Ключевые слова: газопламенное напыление, покрытия, механическая обработка, шероховатость, коэффициент трения.
Введение. Современное сельское хозяйство невозможно представить без оснащения сложными сельскохозяйственными машинами, выполняющими самые различные операции, в состав которых входит гидросистема, приводящая в движение рабочие органы. Необходимое давление рабочей жидкости в системе создаётся насосом. При работе насоса усиливается износ цапф абразивными частицами и продуктами износа трущихся пар попадающие во внут-
реннюю полость насоса [1]. Твердость кварца, полевого шпата и окисла алюминия в 3...12 раз выше твердости материалов для изготовления трущихся пар насоса (цапф шестерен и втулок) [2]. Один из наиболее распространенных способов ремонта деталей гидронасоса - нанесение газотермических покрытий.
В литературных источниках отсутствуют данные о влиянии шероховатости поверхности восстанавливаемых деталей на
их антифрикционные свойства, т.е. влияние механической обработки - резания лезвийным инструментом, тонкого и чистового шлифования, полирования на эксплуатационные характеристики пар трения узлов машин. Изучение антифрикционных свойств позволит создать покрытия, отвечающие современным требованиям новой техники и разработать технологические процессы восстановления изношенных деталей, что даст возможность получать более высокие эксплуатационные характер и-стики.
В работе проведены исследования влияния параметров шероховатости восстановленной поверхности на коэффициент трения: газопламенное покрытие стали - бронза в сравнении с парой трения сталь - бронза.
Методика. Для исследования влияния шероховатости, полученной при различных методах механической обработки, на коэффициент трения были изготовлены стальные образцы с последующим газопламенным напылением покрытий.
В соответствии с требованиями ГОСТ 28844-90 «Покрытия газотермические упрочняющие и восстанавливающие. Об-
щие требования» металлический порошок наносился на образцы, представляющие собой диск (рис. 1), с последующим оплавлением. Материал диска - сталь 45, марка материала для газопламенного напыления ПГ -12Н-02 (самофлюсующийся порошок на основе никеля). Химический состав порошкового материала ПГ-12Н-02 включает: никель - 67,2... 81,6 %, хром - 10...16 %, бор -2...4 %, кремний - 3.5 %, железо -3.5 %, углерод - 0,4.0,8 % в соответствии с ТУ 48-19-383-91 «Порошки для наплавки и напыления». Гранулометрический состав порошкового материала соответствует 11 классу с размером частиц 100 - 280 мкм по ГОСТ 28377-89 «Порошки для газотермического напыления и наплавки. Для нанесения порошков использовалась установка 011-1-01 «Ремдеталь» и горелка ГН-2, которой укомплектована установка, работающая на ацетилено-кислородном пламени. Применяемый способ восстановления описан в ряде работ [3-8].
Контрольные образцы стальных дисков диаметром 50 мм имели твердость 48-52 ИЯСэ.
а)
б)
Рис. 1. Подготовленные образцы для исследований на машине трения: а - фотография опытных образцов с порошковым покрытием;
б - чертёж пары трения для испытания на машине ИИ-5018: I - колодка (контртело); II - стальной диск; III - порошковое покрытие.
В исследованиях образцы подвергались различной механической обработке. Предварительная механическая обработка всех образцов проводилась на токарном станке 16К20 резцом со вставкой марки «Эльбор-Р» (режимы резания Крез=180 м/мин, $=0,6 мм/об, ^ = 0,2 мм), после чего часть образцов подвергалась тонкому точению (режимы резания Крез=180 м/мин, $=0,07 мм/об, ^ = 0,1 мм). Чистовое шлифование выполнялось на станке 3А151 крупнозернистым кругом 14А25НС2К1, а тонкое - мелкозернистым кругом 23Ф10СТ2К2, полирование на токарном станке 16К20 с помощью пасты ГОИ [9, 10].
После каждого вида механической обработки (тонкое точение, тонкое и чистовое шлифование, полирование), определялась шероховатость поверхности с помощью микроскопа МИС-11 и эталонных образцов шероховатости. После обработки тонким точением поверхность образцов имела шероховатость Иа=0,40 мкм, чистовым шлифованием - Яа=0,25 мкм, тонким шлифованием -Яа=0,16 мкм, полированием - Яа=0,08 мкм.
Колодка (рис. 1б) изготовлена из бронзы марки БрОЦС 5-5-5. Площадь контакта образцов, колодки и диска - $ = 110-6 м2.
Подготовленные образцы пар трения исследовались на машине трения ИИ-5018, с использованием стандартной методики [1,
3]. В процессе испытаний создавалась контактная нагрузка N = 380Н, равная нагрузке на цапфы шестеренного насоса НШ-32 при номинальном давлении Р = 16 МПа [11]. Коэффициент трения рассчитывался через определенные промежутки времени по известной зависимости [1, 12]:
где - момент трения, по показаниям
регистрационного прибора, Н м;
N - радиальная нагрузка, Н;
Я - радиус трения по средней линии дорожки трения на контртеле, м.
Радиальная нагрузка рассчитывается по формуле (2):
N = Р-Б, (2)
где Р - контактное давление, МПа; $ - площадь контакта образцов, м2.
Результаты. Изменение коэффициента трения контрольных образцов в зависимости от шероховатости и длительности испытаний при нагрузке N=380Н приведены на рисунке 2 (для стальных образцов) и на рисунке 3 (для стальных образцов с газотермическим покрытием).
/ 0,24 0.21 0,18 0,15 0,12 0,09 0,06
X
Г 1 • 1
\\ ¥ ■ . > 0,207В»-0' И1 = 0,9202 а
* ж. / Я' = 0,956«
% \ V \ ♦ X ----- X --------- ----- X
V ■Ж. ж
V = 0,07^6»« « и' • а.вььь I ---«1 0,1671» И1 - 0.93) ( |
10
15
20
25
30
♦ полнрованнс (Яа 0.08)
■ тонкое шлифование (Яа 0.16)
* чистовое шлифование (Яа 0.25)
Xчистовое точение (Яа0.4)
35 Т.мин
Рис. 2. Изменения коэффициента трения в зависимости от времени испытаний и шероховатости образцов (стальные образцы, N =380 Н)
Рис. 3. Изменения коэффициента трения в зависимости от времени испытаний и шероховатости образцов (напыленные образцы, N = 380 Н)
Характер изменения коэффициента трения от времени как для контрольных образцов, так и для образцов с покрытием в процессе испытания показал уменьшение коэффициента в период приработки, затем он стабилизируется, и практически в дальнейшем не изменяется.
После приработки испытуемых образцов пар трения и стабилизации процесса зафиксированы следующие значения коэффициента трения:
- для образцов № 1 «сталь 45 - бронза БрОЦС 5-5-5» при шероховатости Ял 0,40мкм /=0,063; Яа 0,25мкм /=0,031; Яа 0,16мкм /=0,027; Яа 0,08 мкм /=0,080;
- для образцов № 2 «сталь 45 с газопламенным покрытием ПГ-12Н-02 - бронза БрОЦС 5-5-5» при шероховатости Яа 0,40 мкм / = 0,032; Яа0,25 мкм / = 0,021; Яа 0,16мкм / = 0,014; Яа 0,08мкм / = 0,056.
Следует отметить, что более высокий коэффициент трения у образцов, обработанных полированием с шероховатостью Яа 0,08мкм. Это можно объяснить тем, что в процессе обработки часть пор заполняется продуктами полирования (притирочная паста, частицы покрытия), и поэтому смазочный материал не задерживается на поверх-
ности деталей, ухудшая тем самым условия трения.
В связи с этим полирование в данных парах трения не эффективно, т.к. приводит к увеличению коэффициента трения, и, как следствие - к снижению работоспособности сопрягаемых деталей.
Выводы. Результаты исследований выявили, что шероховатость поверхностей узлов трения после механической обработки влияет на их трибологические свойства. Это влияние наблюдается как для новых узлов трения, так и для восстановленных с использованием газопламенного напыления. Так, значения коэффициента трения в образцах с газопламенным покрытием из порошка марки ПГ-12Н-02 (№ 2) ниже в 1,5-2 раза, чем в образцах без покрытия (№ 1) при одинаковой механической обработке и шероховатости поверхности образцов, соответственно.
Это обусловлено наличием включений карбидов и боридов в у- твердом пересыщенном растворе на основе никеля для переплавленных покрытий из самофлюсующегося сплава типа №СгВ81. Указанные включения, согласно данным [13], представляют собой фазы с высокими температурами плавления, такие как Сг7С3 (Тпл ~ 1665 ° С),
СгВ (Тпл ~ 2050 ° С), СГ5В3 (Тпл ~ 1900 ° С) и являются центрами кристаллизации, позволяющими уменьшить размер зерна и обеспечить высокую степень дисперсности структуры и антифрикционные свойства покрытия из самофлюсующегося никелевого сплава после его оплавления.
При этом независимо от способа оплавления покрытия (при помощи газовой горелки, в печи, за счет электрического сопротивления или использования мощного лазера) повышается его когезионная прочность, стойкость к абразивному изнашиванию, коррозионная стойкость, и в меньшей степени - стойкость к изнашиванию при трении скольжения [14].
Для оплавленных покрытий характерна более высокая стабильность, неразрывность слоя смазки, а также сильная связь между слоем смазки и поверхностью самого покрытия, что позволяет увеличить толщину слоя смазки в пятне контакта деталей в условиях трения скольжения [14], что обу-
словлено характером протекающих межфазных взаимодействий в системе «смазка-поверхность покрытия», таких, как адсорбция, смачивание и адгезия, определяемых низкой свободной энергией поверхности покрытия [15]. При этом предотвращается изменение режима трения, а именно переход от смешанного к граничному трению, где имеют место максимальный коэффициент трения и значения износа.
Также следует отметить, что при восстановлении деталей при помощи газопламенного напыления механическую обработку необходимо завершать на стадии «тонкого» шлифования. Согласно результатам проведенных исследований установлено, что целесообразным методом обработки газопламенных покрытий из порошка марки ПГ -12Н-02 на восстановленных поверхностях является «тонкое» и «чистовое» шлифование, при котором достигнуто оптимальное значение коэффициента трения в пределах от 0,014 до 0,021.
Литература
1. Никонов В. О. Совершенствование технологии восстановления шеек коленчатых валов автомобильных двигателей плазменным напылением с одновременной электромеханической обработкой: автореферат дис. ... канд. техн. наук. Воронеж, 2013. 19 с.
2. Особенности проектирования шестеренного насоса с повышенной подачей / Ю. В. Кулешков [и др.] // Кон-струювання, експлуатащя та виробництво сшьськогосподарських машин. 2012. Випуск 42. Частина 2. С. 122-129.
3. Белоцерковский М. А. Теоретические и технологические основы активированного формирования газопламенных покрытий: автореферат дис. ... д-ра техн. наук. Минск, 2012. 36 с.
4. Вопнерук А. А. Совершенствование технологии высокоскоростного газопламенного напыления износостойких покрытий со структурой метастабильного аустенита: автореферат дис. ... канд. техн. наук. Екатеринбург, 2011. 15 с.
5. Бороненков В. Н., Коробов Ю. С. Основы дуговой металлизации. Физико-химические закономерности: монография. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та: Университетское изд-во, 2012. 268 с.
6. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / А. В. Чичинадзе [и др.]. М.: Машиностроение, 2003. 676 с.
7.Методы исследования материалов / Л. И. Тушинский. М.: Мир, 2004. 384 с.
8. Шестеренные насосы с ассиметричной линией зацепления шестерен / Ю. А. Кулешков [и др.] // Теория, конструкция и расчет. Кировоград: «КОД», 2009. 243 с.
9. Лужнов Ю. М., Александров В. Д. Основы триботехники: учеб. пособие. М.: МАДИ, 2013. 136 с.
10. Щербаков Ю. В. Влияние механической обработки на состояние поверхностного слоя электролитического железа // Агротехнологии XXI века:. Материалы Всероссийской научно практической конференции с международным участием, посвященной 85-летию основания Пермской ГСХА и 150-летию со дня рождения Д. Н. Прянишникова (11-13 ноября 2015). Пермь: Прокростъ, 2015. С. 65-68.
11. Щербаков Ю. В., Комаровский И. В. Обрабатываемость газотермических покрытий из порошковых материалов // Агротехнологии XXI века: Материалы Всероссийской научно практической конференции с международным участием, посвященной 85-летию основания Пермской ГСХА и 150-летию со дня рождения Д. Н. Прянишникова (11-13 ноября 2015). Пермь: Прокростъ, 2015. С. 68-72.
12. Коренев В. Н., Родичев А. Ю., Семенов А. В. Технологические методы, оборудование и материалы для восстановления и упрочнения деталей газопламенным напылением // Труды ГОСНИТИ. 2013. Т. 113. С. 372 - 378.
13. Effect of post-coating technique on microstructure, microhardness and the mixed lubrication regime parameters of thermally-sprayed NiCrBSi coatings / K. A. Habib [et al.] / Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 358. Pp. 824-832. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S025789721831315X
14. Houdkovâ S. Properties of NiCrBSi coating, as sprayed and remelted by different technologies / Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 253. Pp. 14-26. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0257897214004150
15. Bobzin K. Wettability of PVD compound materials by lubricants / Surface and Coatings Technology. 2003. Vol. 165. Is. 1. Pp. 51-57. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0257897202007247
INFLUENCE OF SURFACE PROCESSING METHOD ON FRICTION JOINT RESTORED BY GAS-FLAME SPRAYING ON THEIR TRIBOLOGICAL PROPERTIES
E. V. Pepelyaeva, Cand. Tech. Sci.
A. M. Kashfullin, Cand. Tech. Sci.
S. G. Guryanov, Cand. Tech. Sci.
Perm State Agro-Technological University
23, Petropavlovskaya Street, Perm, Russia, 614990
E-mail: tsat@pgsha.ru
ABSTRACT
The dependence of friction coefficient in mating parts designed the work of friction couple «gear pump shaft - sleeve» is investigated for new parts and for restored by the method of gas-flame spraying. Samples No. 1 were made from carbon steel + tin bronze, samples No. 2 were made from carbon steel with gas-flame sprayed coating from NiCrBSi self-fluxing alloy + tin bronze. The surface of the samples was mechanically treated to a certain roughness using fine turning (Ra=0.4 microns), fine grinding (Ra=0.25 microns), ultra-fine grinding (Ra=0.16 microns), and polishing (Ra=0.08 microns). According to the results of studies, the samples with sprayed coatings have better antifriction properties than samples without coatings. Thus, the obtained values of friction coefficients with the same mechanical treatment in samples No. 2 are lower by 1.5-2 times than in samples No. 1. It is also established that polishing in these friction couples is insufficient because it leads to an increase in the friction coefficient, and as a consequence to a decrease in the performance of mating parts. Key words: gas-flame spraying, coatings, mechanical treatment, roughness, friction coefficient.
References
1. Nikonov V. O. Sovershenstvovanie tekhnologii vosstanovleniya sheek kolenchatykh valov avtomobil'nykh dvigatelei plazmennym napyleniem s odnovremennoi elektromekhanicheskoi obrabotkoi (Improvement of technologies for restoration of crankshafts of automobile engines by plasma spraying with simultaneous electromechanical treatment), avtoreferat dis. ... kand. tekhn. nauk, FGBOU VPO «Voronezhskaya gosudarstvennaya lesotekhnicheskaya akademiya» (VGLTA), 2013, 19 р.
2. Osobennosti proektirovaniya shesterennogo nasosa s povyshennoi podachei (Design features of high-feed gear pump), Yu. V. Kuleshkov [i dr.], Konstruyuvannya, ekspluatatsiya ta virobnitstvo sil's'kogospodars'kikh mashin, 2012, Vi-pusk 42, Chastina 2, рр. 122-129.
3. Belotserkovskii M. A. Teoreticheskie i tekhnologicheskie osnovy aktivirovannogo formirovaniya gazoplamennykh pokrytii (Theoretical and technological bases of activated formation of gas-flame coatings), avtoreferat dis. . d-ra tekhn. nauk, Minsk, Belorusskii natsional'nyi tekhnicheskii universitet, 2012, 36 р.
4. Vopneruk A. A. Sovershenstvovanie tekhnologii vysokoskorostnogo gazoplamennogo napyleniya iznosostoikikh pokrytii so strukturoi metastabil'nogo austenite (Improvement of technology of high-speed gas-flame spraying of wear-resistant coatings with metastable austenite structure), avtoreferat dis. ... kand. tekhn,. nauk, Ekaterinburg, 2011, 15 р.
5. Boronenkov V. N., Korobov Yu. S. Osnovy dugovoi metallizatsii. Fiziko-khimicheskie zakonomernosti (Arc metallization bases. Physical and chemical patterns), monografiya, Ekaterinburg, Izd-vo Ural. un-ta: Universitetskoe izd-vo, 2012, 268 p.
6. Trenie, iznos i smazka (tribologiya i tribotekhnika) (Friction, wear and grease (tribology and triboengineering)), A. V. Chichinadze [i dr.], M., Mashinostroenie, 2003, 676 p.
7. Metody issledovaniya materialov (Methods of materials research), L. I. Tushinskii, M., Mir, 2004, 384 p.
8. Shesterennye nasosy s assimetrichnoi liniei zatsepleniya shesteren (Gear pumps with asymmetric gear line), Yu. A. Kuleshkov [i dr.], Teoriya, konstruktsiya i raschet, Kirovograd, «KOD», 2009, 243 p.
9. Luzhnov Yu. M., Aleksandrov V. D. Osnovy tribotekhniki (Bases of triboengineering), ucheb. posobie, M., MADI, 2013, 136 p.
10. Shcherbakov Yu. V. Vliyanie mekhanicheskoi obrabotki na sostoyanie poverkhnostnogo sloya elektroliticheskogo zheleza (Effect of mechanical treatment on the state of the surface layer of electrolytic iron), Agrotekhnologii XXI veka:. Materialy Vserossiiskoi nauchno prakticheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem, posvyashchennoi 85-letiyu osno-vaniya Permskoi GSKhA i 150-letiyu so dnya rozhdeniya D. N. Pryanishnikova (11-13 noyabrya 2015), Perm', Prokrost", 2015, pp. 65-68.
11. Shcherbakov Yu. V., Komarovskii I. V. Obrabatyvaemost' gazotermicheskikh pokrytii iz poroshkovykh materialov (Workability of gas-thermal coatings from powder materials), Agrotekhnologii XXI veka: Materialy Vserossiiskoi nauchno prakticheskoi kon-ferentsii s mezhdunarodnym uchastiem, posvyashchennoi 85-letiyu osnovaniya Permskoi GSKhA i 150-letiyu so dnya rozhdeniya D. N. Pryanishnikova (11-13 noyabrya 2015), Perm', Prokrost", 2015, pp. 68-72.
12. Korenev V. N., Rodichev A. Yu., Semenov A. V. Tekhnologicheskie metody, oborudovanie i materialy dlya voss-tanovleniya i uprochneniya detalei gazoplamennym napyleniem (Technological methods, equipment and materials for restoration and strengthening of parts by gas-flame spraying), Trudy GOSNITI, 2013, T. 113, pp. 372 - 378.
13. Effect of post-coating technique on microstructure, microhardness and the mixed lubrication regime parameters of thermally-sprayed NiCrBSi coatings, K. A. Habib [et al.], Surface and Coatings Technology, 2019, Vol. 358, pp. 824-832. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S025789721831315X
14. Houdkova S. Properties of NiCrBSi coating, as sprayed and remelted by different technologies, Surface and Coatings Technology, 2014, Vol. 253, pp. 14-26. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0257897214004150
15. Bobzin K. Wettability of PVD compound materials by lubricants, Surface and Coatings Technology, 2003, Vol. 165, Is. 1, pp. 51-57. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0257897202007247
УДК 621.825:621.436
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ МУФТ ОПЕРЕЖЕНИЯ ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА
Н. В. Раков, канд. техн. наук, доцент; E-mail: nikolaymgu@yandex.ru А. В. Смольянов, канд. техн. наук, доцент; E-mail: ffenix2004@rambler.ru
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва», ул. Российская, 5, Саранск, Россия, 430904
Аннотация. В предлагаемой статье представлены результаты исследований оценки технического состояния автоматической муфты опережения впрыскивания топлива (АМОВТ) на модернизированном стенде для испытания и регулировки дизельной топливной аппаратуры. В условиях эксплуатации дизельные двигатели в среднем перерасходуют топливо на 10-20 %, что вызвано неравномерностью подачи и отклонением угла опереже-
