Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ работоспособности гидроцилиндров строительных, дорожных и подъемно-транспортных машин 18
1.1 Анализ условий работы и конструктивно-технологических особенностей гидроцилиндров строительных, дорожных и подъемно-транспортных машин 18
1.2 Анализ отказов гидроцилиндров строительных, дорожных и подъемно-транспортных машин 25
1.3 Обзор исследований в области износа силового сопряжения «шток-цилиндр» 34
1.4 Анализ существующих технологий восстановления гидроцилиндров 39
1.5 Обзор исследований и новых технологий восстановления деталей плазменным способом 44
1.6 Обоснование выбора способа восстановления детали гидроцилиндров 51
Выводы 56
2 Теоретическое исследование износостойкости и внутренней напряженности пары «шток-цилиндр» гидропривода СДМ 58
2.1 Аналитическое определение сил действующих в сопряжении гидроцилиндра «шток-цилиндр» и влияние их на износ 58
2.2 Методика определения оптимального срока службы и предельного износа 72
2.3 Выбор метода исследования деталей гидроцилиндра на концентрацию внутренних напряжений 77
2.4 Особенности планирования производственных испытаний 82
2.5 Теоретическое положение о планирование эксперимента и обработке результатов 85
Выводы 89
3 Обоснование оптимальных режимов плазменного напыления и разработка технологии восстановления штока гидроцилиндра 91
3.1 Разработка конструкции плазмотрона и расчет ее параметров 91
3.2 Исследование оптимальных режимов плазменного напыления 102
3.3 Обоснование оптимального состава порошка 112
3.4 Технологический процесс восстановления сопряжений гидроцилиндров «шток-цилиндр» 123
Выводы 135
4 Экспериментальные исследования износостойкости и концентрации напряжений пары «шток-цилиндр» гидроцилиндров 137
4.1 Методика лабораторных исследований физико-механических свойств напыленного слоя 137
4.2 Результаты лабораторных исследований физико-механических свойств напыленного слоя 141
4.3 Стендовые исследования сопряжения гидроцилиндров «шток-цилиндр» на износостойкость 147
4.4 Экспериментальные исследования концентрации напряжений гидроцилиндров в производственных условиях 154
4.5 Методика проведения эксплуатационных испытаний стальных гидроцилиндров Ц 800x70 гидропривода с восстановленными деталями... 167
4.6 Результаты эксплуатационных испытания восстановленных сопряжений гидроцилиндров СДМ 170
4.7 Исследование влияния износа гидроцилиндров на технико-экономические показатели работы гидроприводов СДМ 178
Выводы 182
5 Экономические критерии оценки предельного износа гидроцилиндра и расчет экономической эффективности от внедрения плазмотрона 184
5.1 Определение оптимального срока службы деталей гидроцилиндра и соответствие его предельному износу 184
5.2 Расчет технико-экономического эффекта от внедрения плазмотрона 187
Выводы 192
Заключение 192
Список литературы 194
Приложения 205
- Анализ отказов гидроцилиндров строительных, дорожных и подъемно-транспортных машин
- Выбор метода исследования деталей гидроцилиндра на концентрацию внутренних напряжений
- Технологический процесс восстановления сопряжений гидроцилиндров «шток-цилиндр»
- Стендовые исследования сопряжения гидроцилиндров «шток-цилиндр» на износостойкость
Введение к работе
В соответствии со стратегическим планом развития экономики Российской Федерации на 2005-2015 годы выделено одним из приоритетных направлений - индустриально-инновационное развитие и создание высоких технологий [1].
Актуальность проблемы. Большой объем строительных работ в России и Казахстане обуславливает интенсивную эксплуатацию техники, что ужесточает требования к ее надежности и долговечности с минимизацией затрат на эксплуатационные расходы. Повышенные нагрузки на технику приводят к значительному снижению эксплуатационных характеристик при одновременном отставании уровня ремонтного производства. Как отмечено в трудах ведущих ученых России и Казахстана, Грязнова Б.Т., Машкова Ю.К., Поле-щенко К.Н., Гаркунова Д.Н., Шарпеева Ю.П., Нуракова С, Кабашева Р.А, Кадырова А.С, обеспеченность ремонтного производства запасными частями является главным фактором повышения технической готовности парка строительных и дорожных машин (СДМ). Расширение производства новых запасных частей связано с увеличением материальных и трудовых затрат. Вместе с тем около 75% деталей, выбраковываемых при капитальном ремонте СДМ, являются ремонтопригодными [2,3,4].
Поэтому целесообразной альтернативой расширению производства запасных частей является вторичное использование изношенных деталей, восстанавливаемых в процессе ремонта СДМ и их агрегатов. Из ремонтной практики известно, что большинство выбракованных по износу деталей теряют не более 1-2% исходной массы. При этом прочность деталей практически сохраняется. Известно, что 75% деталей элементов гидропривода выбраковывают при износах, не превышающих 0,4 мм, и они могут быть вторично использованы после восстановления. С позиции воспроизводства машин экономическая целесообразность ремонта обусловлена возможностью повторного использования большинства деталей как годных, так и предельно изношенных после восстановления. Это позволяет осуществлять ремонт в более короткие сроки с меньшими затратами металла по сравнению с затратами при изготовлении новых деталей [5]. Поэтому на данном этапе единственным путем продления срока службы СДМ является их ремонт.
На дорожно-строительных (СДМ) (например, ЭО-3322А), сельскохозяйственных (СХМ) и автотракторных машинах (ATM) широкое распространение получили гидравлические приводы.
Тяжелые условия эксплуатации СДМ, удаленность от баз и режимы циклически изменяющейся нагрузки отрицательно сказываются на эффективности их использования по причине снижения долговечности гидропривода. Значительное влияние на долговечность гидропривода оказывает техническое состояние одного из дорогостоящих и наиболее интенсивно изнашивающихся элементов, каким является гидроцилиндр.
Поскольку он работает в циклически изменяющихся нагрузках, в разных условиях эксплуатации и температурном режиме, сопряжения «шток-цилиндр» испытывают удары при подъеме и опускании, сопротивление ветра, изменение распределения нагрузки, что снижает срок службы гидроцилиндров. Работая в повышенной запыленности, на масленой поверхности штока гидроцилиндра оседает пыль, капли влаги и частицы грунта. Перемещаясь, шток увлекает их за собой, что приводит к нарушению герметичности манжет, появлению задиров, рисок, тем самым, загрязняя рабочую жидкость гидросистемы и способствуя повышенному изнашиванию сопряженных деталей гидропривода и как следствие интенсивной утечки жидкости. Эти факторы являются причиной снижения безопасности, изменения проектной геометрии и усталостной прочности деталей гидроцилиндров, снижения эффективность и долговечность гидроприводов вцелом.
Существующие технические условия на контроль и сортировку деталей при ремонте не учитывают изменение проектной геометрии деталей и единого способа восстановления определенной группы деталей. Поэтому в процессе эксплуатации СДМ и подъемных машин (ПМ) детали гидроцилиндра чаще подвергаются ремонту, но из-за низкого качества восстановления их наработка до очередного ремонта достигает всего около 45% от ресурса новых. В результате потребность в ремонте возрастает в 2-2,5 раза в сравнении с нормативными.
По данным исследований Е.Л. Воловика и И.В. Крагельского, износ различных групп деталей СДМ и ПМ находится в пределах 0,1+1 Омм. При этом около 85% деталей имеют износ до 0,6 мм. Износ поверхности деталей распределяется примерно следующим образом:
- цилиндрических - 52%;
- трещин и изломов — 9%;
- нарушение геометрической формы - 13% от общего числа.
Анализ износа элементов гидропривода СДМ показывает, что на долю гидропривода приходится около 45% отказов от общего числа агрегатов СДМ, на долю гидроцилиндров до 28% от общего числа отказов. Одной из наиболее интенсивно изнашиваемых деталей гидроцилиндра является шток, по его причине происходит около 31% отказов.
Величины предельно-допустимых износов геометрических параметров и оптимальные режимы восстановления установлены из практического опыта без достаточного научного обоснования, а в действующих технических условиях контроля значительно колеблются, что подтверждает важность решаемых в диссертации задач. Поэтому установление характера износа деталей гидропривода СДМ и их влияние на эффективную работу и долговечность СДМ являются актуальной задачей.
Вопросам износа деталей элементов гидропривода посвящены научные труды ряда исследователей, в том числе выдающихся ученых России и Казахстана Машкова Ю.К., Клока А.Б., Гаркунова Д.Н., Шевеля В.В., Поле-щенко К.Н., Бершацкого Л.И., Буше Н.А., Нуракова С.Н., Костецкого Б.И., Крагельского И.В, Дунаева П.Ф., Тарана М.В. Проникова А.С. и др., которыми выявлены причины вызывающие износ, и даны рекомендации по восстановлению отдельных деталей и сопряжений. Однако износ деталей такого дорогостоящего элемента, каким является гидроцилиндр, изучен еще недостаточно, в частности, характер и особенности износа такого важного сопряжения как «шток-втулка цилиндра».
Поверхность штока гидроцилиндра гидропривода СДМ изнашивается неравномерно. Наибольшему износу подвергается участок у основания штока при максимальном его выходе, что соответствует второму и третьему поясу, затем по периферии к рабочему органу износ уменьшается.
Неравномерный износ штока приводит к конусообразности и смещению базовой оси. Влияние износа и смещение проектного расположения деталей элементов гидропривода приводит к падению давления в гидросистеме до 10% и снижению объемного КПД гидроцилиндра до 25%, что оказывает значительное влияние на эксплуатационные характеристики гидропривода и эффективность СДМ в целом. До сих пор не установлены значения допустимых износов детали гидроцилиндра гидропривода, при которых дальнейшая эксплуатация СДМ становится не эффективной.
Одним из важных факторов, определяющих актуальность восстановления гидроцилиндров, является рост цен и уровень инфляции. Темпы роста цен на насосы и гидроцилиндры колеблются от 12 до 17% в год.
В России и Казахстане вопросами ремонта занимались многие научно-исследовательские институты и высшие учебные заведения: МАДИ, СибА-ДИ, ОМГТУ, НГТУ, КазАДИ, КазАТК, КарГУ, КарГТУ, и другие. В основу восстановления деталей гидроцилиндров легли сварочные процессы - наплавка и напыление с добавлением в дугу присадочных материалов.
Теоретические и практические результаты восстановления и ремонта отражены в работах ведущих ученых России и Казахстана: Патона Э.О., Рыка-лина Н.Н., Ефремова В.В., Зеленкова Г.И., Казарцева В.И., Шарпеева Ю.П., Нураковой А.С., Бисекена А.Б., и др. [6,7,8,9,10,11,12]. Рядом авторов поставлены и решены задачи повышения работоспособности деталей с применением мощных электродуговых источников тепла, плазмы и применение специальных электродов и порошковых материалов, для сварки разнородных материалов: сталь-кремний, сталь-молибден, сталь-никель и т.п. [13,14,15,16,17,18,19,20,21].
Способы восстановления деталей условно делятся на две группы: с износом не более 0,6 мм и с износом более 0,6 мм. Согласно классификации восстанавливаемых деталей СДМ по конструктивно-технологическим признакам [21], сопряжение «шток-цилиндр» относится к V группе с износом 0,35- -0,7 мм. К ним применяют наплавку под слоем флюса в защитных средах, плазменное напыление, осталивание и др.
В современной практике ремонтные предприятия располагают большим количеством способов восстановления деталей, которые применяют для устранения многих дефектов - износов, механических повреждений, трещин, потери проектной геометрии и др. Для восстановления одной и той же детали пригодны несколько способов, часто равноценных по своим технико-экономическим показателям.
Выбору способа восстановления деталей посвящены работы В.И. Казер-цева, В.А. Шадричева, М.А. Масино, И.С. Левитского, В.М. Кряжкова, В.Л. Воловика, В.И. Черноиванова и других [22,23,24,25,26]. При выборе рационального способа применительно к восстановлению конкретной детали необходимо знать их технологические возможности нанесения покрытий на изношенные поверхности и характерные особенности. Поэтому обоснование оптимального способа восстановления детали или группы деталей является важной и сложной задачей, которую следует решать в комплексе технических, организационных и экономических вопросов.
Среди многообразия способов восстановления деталей гидроцилиндров широкое распространение получил способ плазменного напыления [24,25]. Как показывают результаты анализа технико-экономических показателей способов восстановления, плазменное напыление наряду с преимуществами имеет некоторые недостатки. К основным недостаткам относят поры, растрескивание покрытия, неудовлетворительная прочность сцепления и перегрев детали. Результаты аналитических исследований показали, что электротермическим процессам и их закономерностям уделяется недостаточное внимание, вследствие чего качество восстановления находится не на должном уровне, снижая износостойкость и усталостную прочность деталей. Перечисленные факторы указывают на важность научного обоснования предельно-допустимого износа деталей, оптимальных режимов восстановления и способа восстановления. Способы решения этой проблемы изложены в диссертационной работе.
Цель работы: повышение долговечности гидроцилиндров СДМ, на основе установления наиболее нагруженных участков деталей гидроцилиндров, обоснования их предельно-допустимой величины износа и разработки рекомендаций по технологическому процессу восстановления деталей гидроцилиндра.
Поставленная цель определила следующие задачи:
1. Изучить причины и характер изменения геометрии сопряженных деталей гидроцилиндра СДМ, под действием нагрузок.
2. Разработать методику расчета износа деталей гидроцилиндров от напряжений изгиба и создать технические средства для испытания гидроцилиндров на износостойкость.
3. Научно обосновать способ и оптимальные технологические параметры восстановления сопряженных деталей гидроцилиндра «шток - цилиндр» и исследовать физико-механические свойства восстановленного слоя.
4. Экспериментально установить влияние изменения геометрии сопряженных деталей гидроцилиндра на их долговечность и технико-экономические характеристики СДМ, разработать критерий оценки допустимого износа сопряжения.
Объектом исследования является сопряжение «шток-цилиндр» гидроцилиндра СДМ.
Предметом исследования является закономерности процессов взаимодействия внутри системы сопряжения «шток-цилиндр» гидроцилиндра. Методы исследования: в работе применялись методы математического анализа, теоретической механики, математической статистики, метод многофакторного эксперимента, физических экспериментов и технико-экономической оценки.
Достоверность полученных результатов подтверждена адекватностью математических моделей и результатов экспериментальных исследований, техническими и экономическими показателями гидроприводов СДМ, достаточным объемом экспериментов и удовлетворительной сходимостью аналитических расчетов с экспериментальными данными.
Научная новизна определяется следующим:
1. Исследованы закономерности процессов взаимодействия внутри системы сопряжение «шток — цилиндр» гидроцилиндра и установлена аналитическая зависимость износа и дефектов гидроцилиндра от напряжений изгиба.
2. Получена математическая модель режимов плазменного напыления и определены физико-механические свойства микроструктуры покрытия, позволяющие повысить долговечность восстанавливаемых деталей.
3. Разработан критерий оценки оптимального срока службы и соответствие его предельному износу деталей гидроцилиндра.
Личный вклад автора заключается в формировании идеи, постановке цели и задач исследования, выполнении теоретических и экспериментальных исследований и анализе их результатов, разработке методики и обосновании основных технологических параметров восстановления проектной геометрии деталей гидроцилиндра, разработке новой конструкции плазмотрона, разработке критерия оценки допустимых пределов изменения, оптимальных технологических параметров восстановления деталей гидроцилиндра СДМ, экономической оценки оптимального срока службы. Все результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно, в них не содержатся научные идеи и результаты, не принадлежащие автору.
Практическая ценность работы. Разработана методика расчета износа деталей гидроцилиндра учитывающая действие напряжений изгиба, стенд для испытания гидроцилиндров на износ (предварительный патент №2008/1275.1), конструкция плазмотрона с встроенным многокомпонентным дозатором, конусносуживающейся насадкой и фокусирующим соленоидом, обеспечивающая высокое качество восстановления деталей гидроцилиндров СДМ (предварительный патент № 2008/0778.1). Разработан состав порошковой смеси, обеспечивающий при плазменном напылении высокую твердость, износостойкость до 74% и прочность до 87%, от новых деталей гидроцилиндров «Плазменное покрытие металлов» (инновационный патент №21589).
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы при разработке технической документации по технологии восстановления гидроцилиндров в условиях ТОО «Ремплазма» и расчете износа СДМ в условиях ТОО «ДОРОЖНИК», СУ-808, используются в учебном процессе Северо-Казахстанского государственного университета им. М.Козыбаева для подготовки инженерных кадров по специальностям «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование» и «Транспорт, транспортная техника и технологии».
На защиту выносятся:
1. Методика расчета деталей гидроцилиндра СДМ на износ и аналитическая зависимость износа от напряжений изгиба.
2. Математическая модель режимов плазменного напыления, конструкция плазмотрона и состав порошковой композиции.
3. Результаты экспериментальных исследований влияния микроструктуры покрытия и концентраций внутренних напряжений на износостойкость сопряженных деталей гидроцилиндров СДМ, а также на срок их службы.
4. Значение предельно допустимого износа и его влияние на изменение суммарных удельных затрат.
Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и одобрены на международных научно-практических конференциях в Северо-Казахстанском университете им. М.Козыбаева (г.Петропавловск, 2005-2006 гг.), Евразийском Национальном университете им. Л.Гумилева (г.Астана, 2005-2006 гг.), Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (г.Санкт-Петербург, 2007 г.), Карагандинском государственном университете им. Е.А. Букетова (г.Караганда, 2007 г.), в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (г. Омск, 2007 г.), Казахском автодорожном институте им. Л. Гончарова (г. Алматы, 2008 г.), Карагандинском государственном техническом университете (Караганда, 2008 г.), Центрально-казахстанском научно-исследовательском институте «Болашак» (г.Караганда, 2008 г.), в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии «IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых» (г. Омск, 2009 г.), на технических советах ТОО «РЕМПЛАЗМА». На заседаниях кафедры «Автомобильный транспорт и объединенном семинаре университета СКГУ им. М.Козыбаева г.Петропавловск, 2009 г, расширенном заседании кафедры «Эксплуатация дорожных машин» и объединенном научном семинаре СибАДИ (г. Омск, 2009 г).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 работ, в том числе 13 работ в материалах международных научных конференций, 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 инновационный патент.
Анализ отказов гидроцилиндров строительных, дорожных и подъемно-транспортных машин
В процессе восстановления деталей гидроцилиндра восстанавливают утраченные геометрические характеристики и физико-механические свойства, которыми обладал гидроцилиндр при изготовлении. Однако в ремонтной практике соблюдаются не все технические требования по параметрам износостойкости и энергетической прочности рекомендованные ГОСТом 17411-91, а к проектным геометрическим параметрам штока и концентрации внутренних напряжений требования сформулированы не конкретно. Следовательно, учитывая результаты обзорного анализа и принимая во внимание жесткие условия работы и энергоемкость процессов при эксплуатации, наиболее нагруженным элементом гидропривода является гидроцилиндр, а его детали наиболее изнашиваемые. На основании перечисленных требований предъявляемых к изготовлению гидроцилиндров можно сделать заключение о том, что сопряженные детали требуют точного соблюдения размерных и проектных свойств и строгого контроля. Значит следующая задача — это анализ доли отказов гидроцилиндров СДМ и их причин.
Основные параметры гидроцилиндров, которые необходимо контролировать: диаметральный износ; проектное отклонение от базовой оси; тянущая сила; ход поршня и номинальное давление, определяющее его эксплуатационную характеристику и конструкцию, а также требования к качеству обработки и шероховатости сопряженной поверхности деталей.
За основной параметр обычно принимают один из параметров, определяющий важнейшие конструктивные и эксплуатационные качества машины или агрегатов. Главный параметр должен быть постоянной величиной, не зависящей от других параметров и в тоже время определяющий наиболее полно эксплуатационную характеристику агрегата и его основные размеры. Главным параметром ряда силовых гидроцилиндров является внутренний диаметр цилиндра. Внутренний диаметр цилиндра является стабильной величиной и определяет технологическую и эксплуатационную характеристику гидроцилиндра.
Эффективность СДМ в значительной степени зависит от работоспособности установленных на них гидроприводов, которые являются наиболее нагруженными агрегатами. По данным исследований [37,38,39] на гидропривод СДМ приходится до 45% всех отказов, а на силовые гидроцилиндры до 28%, что является причиной частого внепланового ремонта его деталей.
При увеличении интенсивности изнашивания деталей гидроцилиндра изменяются его объемный КПД, производительность и снижаются важные показатели детали - твердость рабочего слоя, соосность и проектная траектория движения, что влечет изменение шероховатости, появление задиров, прогибов и других скрытых дефектов. Это приводит к изменению проектной геометрии гидроцилиндра и значительному снижению его долговечности. Признаки, которые определяют техническое состояние машины или оборудования, имеющие количественное выражение, называют параметрами технического состояния. Выделяют три группы параметров технического состояния: структурные (зазоры, несоосности, вмятины, изгибы и т.д.); функциональные (грузоподъемность гидроцилиндра, мощность, расход энергии, давление в гидросистеме и т.д); сопутствующие параметры процессов (шум, вибрация, загазованность и т.д.). Любой из параметров технического состояния, используемый для диагностирования, является диагностическим параметром. Параметрами, характеризующими техническое состояние основных элементов гидропривода, являются шум, вибрация, изогнутость, изменение диаметра, твердость рабочей поверхности, энергетическое напряжение [38].
Наибольшее число неисправностей (отказов) возникает из-за износовых и коррозионных явлений на рабочих поверхностях деталей машины (80...90%) [40]. При этом отказ происходит не сразу, а после того, как износ или коррозия достигает определенного, критического значения, т.е. при достижении предельного состояния машины или ее агрегатов. Износовые и коррозионные процессы проявляются в виде трех групп изменений: изменения геометрических размеров и форм поверхностей деталей; смещение поверхностей деталей относительно друг друга (прогиб, нарушение перпендикулярности, соосности, параллельности и т.п.); изменение физико-механических свойств материала детали (потеря твердости, упругости, выкрашивание цементационного слоя, появление трещин и т.д.). Эти изменения в деталях, достигая предельного значения, определяют момент исчерпания ресурса сборочной единицы машины или момент предельного состояния. Таким образом, основной причиной старения является изнашивание в широком смысле этого понятия.
Анализ причин возникновения характерных технических отказов агрегатов показал, что большая часть отказов, около 45%, связана с отказами гидропривода (рис. 1.2), в свою очередь эти отказы связаны с производственными дефектами, вызванными установкой на привод комплектующих изделий низкого качества, а также из-за больших колебаний нагрузок на рабочих органах. Распределения причин отказов орудий производственного характера показывает, что возникают они из-за дефектов сборки, регулировки, затяжки резьбовых соединений (30%), дефектов термообработки и отклонения от конструктивных размеров при механической обработке (35%), некачественная сварка (30%), и др.
Выбор метода исследования деталей гидроцилиндра на концентрацию внутренних напряжений
Большой опыт имеется в применении сплавов на основе никеля, бора и кремния. Эти сплавы хорошо работают в условиях трения скольжения, так как их можно полировать и, кроме того, в них не образуются раковины. Однако их нельзя подвергать большому давлению при трении.
Получение качественных покрытий связано с технологическими трудностями. Легирующие элементы в «основном» металле тоже могут вызвать затруднения, например, наличие более 0,5% алюминия в 12—14%-ной хромистой стали ведет к образованию трудновосстанавливаемых поверхностных окислов, затрудняющих или делающих невозможной связь покрытия с основанием. Также вредно содержание более 1% титана, неблагоприятно содержание 1% азота.
При восстановлении деталей гидроцилиндров наплавкой происходит деформация штоков (линейная и угловая), вызывающая прогиб до 2 мм и уменьшение их длины до 1,8 мм. Практика показала недостатки такой технологии растяжки (12—14% штоков, подвергнутых растяжке, ломаются).
Следовательно, для уменьшения деформации валов при наплавке необходимо обеспечить равномерное протекание тепловых и структурных изменений по объему элементов вала, но осуществить это пока не представляется возможным. Даже при жестком закреплении штоков на станке, растяжение длины детали при плазменных процессах должна быть не более 1,4 мм (в среднем 0,93 мм), а при свободном креплении валов—не более 0,8 мм (в среднем 0,58 мм). Обычно толщина покрытия не превышает 1 мм, так как конструктивную нагрузку несет материал детали, а материал покрытия придает поверхности детали такие свойства, как твердость, износостойкость, жаростойкость и т. д.
Твердость покрытия с компонентами молибдена или алюминида никеля в зависимости от состава исходного материала может быть получена в пределах 30—45 HRC. Износостойкость покрытия в 1,5—2 раза выше, чем износостойкость стали 45, закаленной до твердости 45—48HRC. Но покрытие не снижает усталостной прочности деталей [58]. G целью уменьшения пористости, повышения адгезии к основному металлу и прочности сцепления между частицами рекомендуется применять покрытия из самофлюсующихся сплавов марки В. 01 ПР-Р80Х13С2Р (HRC-29-Ж), В. 02 ПР-77Х0Х15СЗР2 (HRC-37-88), В. 03 ПР-М73Х16СЗРЗ (HRC-47-52). Последние необходимо подвергать уплотнительной термообработке, которую целесообразно осуществлять двумя способами: оплавлением газовой горелкой и оплавлением высокочастотным нагревом. Во избежание образования трещин при оплавлении покрытий, нанесенных на углеродистые стали с содержанием углерода 0,25-0,4%, деталь перед оплавлением необходимо подогреть до температуры 250-370С, а после оплавления медленно охладить. Следует иметь в виду, что быстрое охлаждение таких изделий с покрытием большой толщины сопряжено с опасностью растрескивания покрытия. Для предупреждения этого явления охлаждение нужно проводить под слоем теплоизоляционного материала.
Причина растрескивания покрытия на изделиях из стали, охлаждение которых сопровождается мартенситными превращениями, заключается в следующем. Если в покрытии на протяжении всего периода охлаждения происходит только усадка (сужение), то процесс охлаждения основного металла в аустенитной области сопровождается началом мартенситных превращений и соответствующим расширением основного металла. Растрескивание покрытия является результатом противоположных объемных изменений. Растрескивание можно предотвратить путем изометрического отжига, режим которого следует выбирать по диаграмме распада аустенита[57].
Для того чтобы в процессе охлаждения системы основа-покрытие, нагретой выше точки фазового превращения, аустенит за минимальный период времени перешел в феррит, необходимо покрытие охладить до температуры, соответствующей наибольшей скорости процесса аустенитного превращения, затем выдержать и лишь после этого охладить до нормальной температуры.
Если при выдержке температура несколько отклонится от указанной, то время превращения резко возрастет [59]. Поэтому изотермическую выдержку изделий при заданной температуре осуществляют в печах или в соляных ваннах, где достаточно строго контролируется температура среды.
Особенностью технологического процесса является соблюдением стабильных тепловых условий формирования напыленного покрытия при расчетной температуре, что позволяет исключить повышенные термические напряжения и получить однородные по составу и свойствам покрытия при высоком термическом коэффициенте полезного действия (КПД) напыления и небольшом нагреве обрабатываемой детали.
Опытным путем в условиях ТОО «Ремплазма» были установлены оптимальные параметры, влияющие на качество сцепления напыленного металла с восстанавливаемой поверхностью. На основе экспериментального исследования установлены оптимальные технологические режимы процесса плазменного напыления: в качестве плазмообразующего газа использовали смесь воздуха и пропана (1-5%), транспортирующего газа — воздух. Напыление проводили на подслой из порошка ПН85Ю15, после предварительной подготовки поверхности методом грубой шлифовки и пескоструйной обработки. Расход транспортирующего газа -1,5 г/с, сила тока дуги-145-160 А, напряжение - 160-180 В, расход плазмообразующего газа-7-2 г/с, дистанция напыления- 100 (±20), продольная подача плазменной горелки -3,5-3,8 мм/об, диаметр сопла горелки — 7 мм, угол напыления- 3-5, частота вращения изделия -45-60 об/мин, скорость полета частиц - 150 м/с, грануляция железного порошка -100-140 мкм, расход материала покрытия -4-7 кг/ч, толщину подслоя задавали равную 0,1-0,2мм.
Технологический процесс восстановления сопряжений гидроцилиндров «шток-цилиндр»
Восстановление изношенных деталей из-за особенностей строения и физико-механических свойств вызывает значительные трудности [67,68,69]. Технологический процесс восстановления должен обеспечивать способность детали противостоять усталостному разрушению и износостойкость на уровне новых. Отклонение прочности восстановленных гидроцилиндров от номинальных значений не должны превышать 6%. Однако наблюдаются случаи увеличения ее до 25 — 30% [70]. Степень восстановления свойств деталей гидроцилиндра при ремонте зависит от характера и величины повреждений, а также от выбранных основных технологических параметров восстановления, приемов и методов их ремонта.
В силу физических особенностей процесса образования покрытий с увеличением толщины слоя в нем возрастают внутренние напряжения, которые нарушают процесс сцепления с подложкой. Низкая пластичность самофлюсующихся сплавов и высокий коэффициент линейного расширения создают опасность растрескивания покрытия во время охлаждения. Если основной металл представляет собой углеродистую сталь с содержанием 0,25% С, фер-ритную коррозионно - стойкую сталь типа Х25Н13, аустенитную коррозионно-стойкую сталь типа 12Х18Н9Т, Х18Н10Т или иную сталь, при охлаждении которой исключены мартенситные превращения, охлаждение изделий после сплавления тонкого покрытия не требует каких либо дополнительных мер [64,71].
Анализом литературных источников (таблица 1.4), наблюдениями, проведенными на ремонтных предприятиях ТОО «Ремплазма», АО Петропавловский РМЗ, изучением ремонтного фонда гидроцилиндров установлено, что после восстановления наплавкой происходит износ и изгиб штоков из-за концентрации внутренних напряжений и пор в покрытии. Технико-экономическое сравнение способов восстановления позволило выделить преимущественно качественные и количественные характеристики существующих способов. Это послужило основанием для принятия первого решения — проводить плазменное напыление многокомпонентными хорошо сбалансированными индивидуальными порошковыми композициями плазменным напылением.
Исследование твердости напыленных деталей, выполненных на АО Петропавловский РМЗ, ТОО «Ремплазма», наблюдения по ремонтному фонду показали низкую твердость покрытия и неоднородность слоя при использовании порошка ПН68Х21С5Р, ГОСТ 21448-75, ТУ 14-1-3997-85. С целью увеличения твердости напыленного слоя, адгезии, а также возможного уменьшения количества пор и трещин было принято решение вводить в плазменную струю специальную порошковую композицию и разработать новую конструкцию плазмотрона [72-76]. Первый - порошок самофлюсующийся В. 03 ПР-М73Х16СЗРЗ (HRC-47-52), NiCr-Fe+50(80)%Cr3C2 на основе никеля.
Второй - 15Х17Н12ВЗФ (инновационный патент №21589 «Плазменное покрытие металлов») [73].
В итоге для исследования напыленных деталей гидроцилиндров гидропривода были приняты три варианта порошковой смеси: плазменное напыление самофлюсующейся порошковой композицией NiCr-Fe+50(80)%Cr3C2 на основе никеля; плазменное напыление в среде защитных газов ПН68Х21С5Р, ГОСТ 21448-75, ТУ 14-1-3997-85; плазменное напыление с порошковой композицией 15Х17Н12ВЗФ и усовершенствованной конструкцией плазмотрона.
Условия работы сопряжений предопределяют проведение тех или иных исследований по выявлению значений основных параметров, определяющих ресурс изделия [74,75]. Детали элементов гидроприводов, восстановленные плазменным напылением, должны обладать достаточной износостойкостью и энергетической прочностью. При выборе способа и оптимальных режимов напыления по качеству напыленного покрытия используют определяющие признаки - наличие или отсутствие дефектов. Международный институт сварки классифицирует дефекты по следующим видам: трещины, раковины, поры, твердые включения, не сплавления, низкая адгезия [76]. Значит, для выбора оптимального способа восстановления и режимов напыления желательны методы контроля, позволяющие производить количественное определение величины дефекта детали. Также необходимо учесть металлоемкость оборудования, трудоемкость и себестоимость работ, необходимые физико-механические свойства детали и возможные пределы варьирования режимов.
Одним из способов, отвечающим оптимальным характеристикам является плазменное напыление. Порядок технологических операций следующий: разборочная; моечная; дефектовочная; подготовительная; проточка под ремонтный размер; подготовка поверхности (рваная резьба, дробеструйная или пескоструйная обработка); обезжиривание и промывка; сушильная (сжатый воздух); обжиг; термическая; напыление; оплавление; охлаждение; шлифование под номинальный размер.
При плазменном напылении, ориентировались на режимы, применяемые в ТОО «Ремплазма» и рекомендуемых литературными источниками: напряжение на дуге 160-180 В, сила тока 160-300 А; расход плазмообразующего газа (аргона) 950-1590 л/час; расход транспортирующего газа (азота) 3340 л/ч; расстояние от сопла до напыляемой поверхности 100-200 мм; диаметр выходного отверстия сопла плазмотрона 5-7 мм; частота вращения детали 40-60 об/мин; продольная подача плазмотрона 3,5-4,0 мм/об; расход порошка 4800 г/ч, давление газов 78-98 кПа.
Стендовые исследования сопряжения гидроцилиндров «шток-цилиндр» на износостойкость
Обзор и анализ предшествующих исследований позволили сделать вывод о том, что наиболее интенсивному изнашиванию подвержены детали гидроцилиндра, который является одним из наиболее дорогостоящих и напряженным в силовом отношении, на долю которого приходится до 28% от общего числа отказов.
На основании описанных условий работы гидроцилиндров, сделан вывод о том, что износ и изменение геометрии являются лимитирующими факторами, определяющими работоспособность гидроцилиндра гидропривода СДМ.
Рассмотрены особенности существующих методов восстановления деталей гидроцилиндров и технологий напыления сопряжений, предложенных разными исследовательскими организациями.
Технико-экономическое сравнение способов восстановления деталей гидроцилиндров СДМ и ПМ позволяет сделать следующие выводы: - практически при всех способах восстановления деталей гидроцилиндра наблюдаются появление дефектов напыления в виде пор, трещин, неудовлетворительной адгезией и твердости; - ни один из способов восстановления не позволяет получить усталостную прочность, твердость и износостойкость деталей механизма гидропривода на уровне новых; - лучшее формирование напыленного слоя получено при плазменном напылении с введением в зону распыла индивидуальной многокомпонентной порошковой композиции. Исходя из выше изложенного, сформулированы цель и задачи диссертационной работы. Цель работы — повышение долговечности гидроцилиндров СДМ на основе установления наиболее нагруженных участков деталей гидроцилиндров, обоснования их предельно допустимой величины износа и разработки рекомендаций по технологическому процессу восстановления деталей гидроцилиндра. Для выполнения этой цели, необходимо решить следующие задачи: 1. Изучить причины и характер изменения геометрии сопряженных деталей гидроцилиндра СДМ под действием нагрузок. 2. Разработать методику расчета износа деталей гидроцилиндров от напряжений изгиба и создать технические средства для испытания гидроцилиндров на износостойкость. 3. Научно обосновать способ и оптимальные технологические параметры восстановления сопряженных деталей гидроцилиндра «шток — цилиндр» и исследовать физико-механические свойства восстановленного слоя. 4. Экспериментально установить влияние изменения геометрии сопряженных деталей гидроцилиндра на их долговечность и технико-экономические характеристики СДМ, разработать критерий оценки допустимого износа сопряжения.
Опыт эксплуатации и исследования гидроцилиндров гидроприводов показал, что в процессе работы этих элементов, имеющие большие размеры и массу, могут возникать значительные нагрузки в сопряжении шток-цилиндр. Как показал статистический анализ, главной причиной выхода из строя гидроцилиндров является не их поломка, а износ сопряжений шток-цилиндр под влиянием внешних нагрузок и эксплуатационных факторов. Аналитическими исследованиями установлено, что на эффективность работы и срок службы гидроцилиндра гидроприводов СДМ и ПМ, существенное влияние оказывают величина износа и изменение проектных геометрических параметров штока и цилиндра, на которые влияют динамические нагрузки, и агрессивная среда эксплуатации. К переменным факторам отнесем: коэффициент удельного сопротивления грунта резанию для землеройных машин, длина выхода штока, угол наклона гидроцилиндра, масса груза и рабочего органа и отношение площади штока цилиндра к проекции рабочего органа. В известных методиках расчета износа, разработанных И.В. Крагельским, не учитывается влияние напряжений изгиба возникающего при моментах изгиба. Следовательно, расчет износа гидроцилиндра СДМ требует индивидуального подхода и разработки методики с учетом действующих нагрузок.
Целью разработки методики расчета являлось установление зависимости износа сопряжения «шток-цилиндр» от напряжений при моментах изгиба и некоторых факторов, которые в известных методиках не учитывают (коэффициент удельного сопротивления грунта резанию для землеройных машин, длина выхода штока, масса груза и рабочего органа, площади штока цилиндра и др.). Теоретическое решение поставленной задачи основывалось на из вестных законах Крагельского И.В. и А.С. Проникова, в которых износ рассматривается как величина, обратно пропорциональная твердости.
Одним из наиболее напряженных, в силовом отношении и наименее изученных являются сопряжения «шток-втулка гидроцилиндра» и «шток-цилиндр», поэтому для исследования взаимодействия этих сопряжений рассмотрим кинематическую схему движения штока (Рис. 2.1).
На рисунке 2.1 представлено распределение следующих сил: Рг все внешние силы, действующие под углом рр; 11жх и Кжу - реакции сил распределяющиеся по осям; RNA — реакция силы действующая на поршень в точке А; F"A - силы, действующие от поршня на цилиндр; ац - угол наклона цилиндра; А,В, С — точки приложения сил, / - длина гидроцилиндра со штоком; 1} и 12 — переменные длины штока выхода; RNB - реакции сил действующих на шток в точке В; FmTB - сила трения штока в точке В.
