RESULTS OF THE STUDY OF ABRASIVE WEAR OF THE SUCTION DREDGECHAIN
Authors:
1.
Astrakhan Technical State University
(Department "Shipbuilding and Power Engineering Complexes", Senior Lecturer)
Russian Federation
Russian Federation
2.
Astrakhan Technical State University
(Department "Shipbuilding and Power Engineering Complexes", Head of the Department)
Astrakhan, Astrakhan, Russian Federation
Astrakhan, Astrakhan, Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 94
to 99
Status:
Published
Received:
20.02.2014
Accepted:
20.02.2014
Published:
25.02.2014
Subject area:
UDK 620.178.16:621.879.45.064.004.62
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
BBK 34.413.2-01:38.623.034.5-046
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
BBK 34.413.2-01:38.623.034.5-046
Language:
Russian
Keywords:
dredge, scoop chain, pin, sleeve, wear, resistance, wear test
Abstract (English):
The study suggests some criteria for assessment of the wear resistance of materials of components of the unit swivel. The basic components of the process of friction in related details are described. The complexity of the interaction of friction surface allows only approximately determine the level of destruction in the contact area by the existing criteria. The testing results of wear resistance of the parts of the mount scoop chain of a dredger on the bench for the abrasive wear on samples of steel 38HN3MA and 110G13L with different types of heat treatment and without it. The samples were subjected to abrasion test under the pressure of 27.3 and 47.4 kPa. The experimental results show that the technology of the manufacturer does not provide maximum durability for sleeves 38HN3MA, but provides it for steel bushings 110G13L. To increase the resource of the durability of the studied materials we must change hardening technologies in the manufacture of parts of the mount scoop chain.
The study suggests some criteria for assessment of the wear resistance of materials of components of the unit swivel. The basic components of the process of friction in related details are described. The complexity of the interaction of friction surface allows only approximately determine the level of destruction in the contact area by the existing criteria. The testing results of wear resistance of the parts of the mount scoop chain of a dredger on the bench for the abrasive wear on samples of steel 38HN3MA and 110G13L with different types of heat treatment and without it. The samples were subjected to abrasion test under the pressure of 27.3 and 47.4 kPa. The experimental results show that the technology of the manufacturer does not provide maximum durability for sleeves 38HN3MA, but provides it for steel bushings 110G13L. To increase the resource of the durability of the studied materials we must change hardening technologies in the manufacture of parts of the mount scoop chain.
Keywords:
dredge, scoop chain, pin, sleeve, wear, resistance, wear test
dredge, scoop chain, pin, sleeve, wear, resistance, wear test
Известно, что детали шарнирного соединения черпаковой цепи земснарядов во время работы изнашиваются и основной вид изнашивания – это схватывание металла сопряженных деталей, а сопутствующий – абразивное изнашивание частицами грунта, проникающего в зазор [1]. Схватывание возникает в результате появления металлических связей, их деформации и разрушения с отделением частиц металла или налипанием на поверхность контакта. Условия работы цепи таковы, что пятно контакта трущихся деталей «втулка – палец» существует лишь ограниченное время и зависит от скорости скольжения, шероховатости и волнистости поверхности. Деформирование материала в пятнах контакта будет либо упругим, либо пластическим, редко достигая значений, достаточных для разрушения при однократном воздействии, поэтому возникновение металлических связей происходит в данном случае при интенсивной деформации поверхностных объемов металла, обусловленной атермической пластичностью и высокими удельными нагрузками на пятнах контакта, возникающих при эксплуатации цепи. В данном случае схватывание можно оценить основным безразмерным коэффициентом [2], где – сдвиговое сопротивление молекулярной (металлической) связи; – предел текучести основы. Однако задача оценки абразивной износостойкости сплава еще далека от своего решения. Известны многие эффективные критерии износостойкости. Так, в [3] в качестве критерия принят модуль упругости E, а в [4] – комплекс, где HV – твердость по Виккерсу; – ударная вязкость. Более сложный критерий был предложен в [5] в виде , где – предел прочности; – предел текучести; – истинная максимальная деформация; – раскрытие трещины. Показано, что последний критерий можно заменить выражением . Современным критерием, оценивающим изнашивание, является критерий [6, 7], имеющий энергетическую природу. В любом случае, согласно [8], если рассматривать абразивную износостойкость металлов, нагрузка F1, приложенная к единичной абразивной частице, будет уравновешена реакцией площади контакта: , (1) где А – проекция площади контакта на горизонтальную плоскость; Pm – давление текучести материала; d – диаметр отпечатка. При перемещении абразивной частицы на пути l и будет удалён некоторый объём материала , который можно определить как , (2) где – коэффициент, учитывающий удаленный в виде стружки некоторый объём материала; S – площадь поперечного сечения канавки; h – глубина внедрения абразивной частицы; – половина угла при вершине моделируемой абразивной частицы. Совместив выражения (1) и (2) и заменив на , где – нагрузка, приходящаяся на все абразивные частицы, участвующие в контакте с поверхностью; – общее количество абразивных частиц, взаимодействующих с поверхностью; общий износ можно представить в виде , (3) где na – количество частиц, осуществляющих микрорезание; – относительная доля абразивных частиц, участвующих в резании поверхности. В практических расчётах вместо давления текучести можно использовать твёрдость материала, тогда формулу (3) можно записать в виде , где – коэффициент износа; Н – твёрдость. Это выражение было предложено Дж. Ф. Арчардом для трущихся без смазки поверхностей. Преобразовав его для определения износостойкости сплава И в одинаковых условиях изнашивания, получим Однако эта зависимость применима только для отожженных сплавов и не имеет универсального характера. Было установлено [3] высокое значение абразивной стойкости от упрочнения сплава закалкой с последующим отпуском. Эта зависимость имеет вид , где , – износостойкость и твёрдость сплава после отжига; Н – твёрдость после термообработки. В настоящее время в России эксплуатируется около 80 черпаковых земснарядов. Рабочим органом земснаряда является черпаковая цепь, которая работает в очень сложных условиях, таких как абразивная среда и высокие динамические нагрузки. В узлах крепления черпаковой цепи нагрузки превышают предел текучести материала, что приводит к пластической деформации втулок, колец и пальцев. Абразивный износ увеличивает зазор в узле так, что приводит к изменению траектории движения по роульсам цепи и сходу с верхнего приводного барабана. Анализ эксплуатации черпаковой цепи показал, что отдельные пальцы, работающие на глинистых и илистых грунтах, меняются с частотой от 3 до 7 дней, а при работе на песчаных грунтах максимальный износ на некоторых втулках может быть достигнут за одни сутки. Бывали случаи, когда при работе на крупнозернистых грунтах кольца, установленные в проушинах черпака, изнашивались катастрофически, и это приводило к длительным простоям и замене черпака полностью. При интенсивной эксплуатации земснаряда, по окончании навигации, заменяется весь комплект пальцев, втулок и колец на новые. Изношенные детали не восстанавливаются. Для изучения причин повышенного износа втулок и пальцев цепи необходимо было установить износостойкость материала деталей. Для достижения этой цели была изготовлена экспериментальная установка, предназначенная для проведения испытаний материала на изнашивание при трении о закреплённые абразивные частицы. Давление на поверхности одного образца при использовании первой оправки составляло 27,3 кПа, второй оправки – 47,4 кПа. Как показали предварительные пробы на износ, можно пользоваться одним видом оправки с сепаратором механического крепления благодаря быстроте установки и съёма образцов. Образцы, изготавливаемые из сталей марок 38ХН3МА и 110Г13Л, имели форму цилиндров одинаковых размеров (в серии по 3 шт.), диаметром d = 15 ± 0,1 мм и высотой h = 7…8 мм. Заготовки для образцов вырезались из отработанного пальца и из кольца, которые по внешним признакам не эксплуатировались. Во время изготовления образцов обеспечивалось постоянное интенсивное охлаждение водой. Заготовка нагревалась не выше 30…40 °С. Изготовленные образцы устанавливались в оправку установки и подвергались обязательной притирке с целью достижения полного прилегания к поверхности круга. Затем проводился селективный отбор образцов по высоте. В серии испытывалось по 3 образца, причем их высота не должна была отличаться более чем на 0,1 мм. Были подготовлены образцы из материала пальца (сталь 38ХН3МА) по следующим партиям (в партии по 2 серии): 1. Без изменения структуры. 2. Отожженные при температуре 750 °С в течение 1 часа и охлажденные вместе с печью. 3. Отожженные по п. 2, закалённые с температуры 850 °С на масло, по техническим требованиям завода-изготовителя, и отпущенные при температуре 590 °С. 4. То же, что в п. 3, и отпущенные при температуре 200 °С. Из материала кольца (сталь 110Г13Л) были изготовлены 2 партии образцов: 1. Без изменения структуры. 2. Закаленные с температуры 1050…1075 °С на воду по техническим требованиям завода- изготовителя. Испытания образцов на износ проводились с разными нагрузками Р1 (эксперимент № 1) и Р2 (эксперимент № 2). Испытания с нагрузкой Р2 проводились на тех же образцах после испытаний под нагрузкой Р1. До испытаний были проведены измерения высоты, массы, твёрдости образцов. Все исходные данные заносились в протокол. Образцы устанавливались в оправку, затем оправка размещалась на плоскости круга. Устанавливался скоростной режим, при котором круг совершал один оборот примерно за 3 секунды. Включался обдув для удаления продуктов износа из зоны трения. По достижении 500 циклов (оборотов) вращение останавливалось. Испытания с нагрузкой Р2 проводились аналогично предыдущим. По каждой партии образцов из 6 штук была определена средняя величина линейного, массового износов и изменение твёрдости по каждому эксперименту (табл. 1 и 2). Таблица 1 Результаты испытаний на износ при давлении Р = 27,3 кПа № образца Деталь, марка материала Состояние образцов Твёрдость до испытаний Твёрдость после испытаний Линейный износ, мм Массовый износ, г 1–6 Палец, сталь 38ХН3МА Вырезаны из пальца 25 НRС 26,1 НRС 0,334 0,434 7–12 Отжиг 30,3 НRС 31,3 НRС 0,291 0,402 13–18 Отжиг, закалка и высокий отпуск по технологии завода-изготовителя 38,3 НRС 41 НRС 0,31 0,39 19–24 Отжиг, закалка и низкий отпуск 49,6 НRС 53,6 НRС 0,172 0,215 1–6 Втулка, сталь 110Г13Л Вырезаны из втулки 81 НRВ 80,6 НRВ 0,108 0,085 7–12 Закалка по технологии завода-изготовителя 87,8 НRВ 86,7 НRВ 0,049 0,082 Таблица 2 Результаты испытаний на износ при давлении Р = 47,4 кПа № образца Деталь, марка материала Состояние образцов Твёрдость до испытаний Твёрдость после испытаний Линейный износ, мм Массовый износ, г 1–6 Палец, сталь 38ХН3МА Вырезаны из пальца 26,1 НRС 25,9 НRС 0,632 0,861 7–12 Отжиг 31,3 НRС 33,1 НRС 0,695 0,921 13–18 Отжиг, закалка и высокий отпуск по технологии завода-изготовителя 41 НRС 40,5 НRС 0,701 0,929 19–24 Отжиг, закалка и низкий отпуск 53,6 НRС 54 НRС 0,265 0,345 1–6 Втулка, сталь 110Г13Л Вырезаны из втулки 80,6 НRВ 82,3 НRВ 0,169 0,196 7–12 Закалка по технологии завода-изготовителя 86,7 НRВ 86,8 НRВ 0,14 0,18 Полученные данные стали исходными величинами для анализа и построения зависимостей, представленных на рис. 1–4. C:\Documents and Settings\COMP\Local Settings\Temporary Internet Files\Content.Word\Новый рисунок.png C:\Documents and Settings\COMP\Local Settings\Temporary Internet Files\Content.Word\Новый рисунок (2).png Рис. 1. Зависимость массового и линейного износов от твёрдости материала деталей узла при нагрузке 27,3 кПа Рис. 2. Зависимость износостойкости от твёрдости материала деталей узла при нагрузке 27,3 кПа C:\Documents and Settings\COMP\Local Settings\Temporary Internet Files\Content.Word\Новый рисунок (3).png C:\Documents and Settings\COMP\Local Settings\Temporary Internet Files\Content.Word\Новый рисунок (1).png Рис. 3. Зависимость массового и линейного износов от твёрдости материала деталей узла при нагрузке 47,4 кПа Рис. 4. Зависимость износостойкости от твёрдости материала деталей узла при нагрузке 47,4 кПа Измерение твёрдости в экспериментах № 1 и 2 показало, что она изменилась незначительно, в пределах 1…4 единиц по шкале НRС, как в сторону увеличения, так и снижения. При давлении на образец Р = 27,3 кПа максимальный линейный и массовый износ был у образцов из стали 38ХН3МА № 1–6, имеющих низкую твёрдость, а минимальный – № 19–24 – при твердости 53,6 HRC. Самый низкий износ показала сталь 110Г13Л, изготовленная по техническим требованиям завода при твердости поверхности 86…87 HRB. При давлении на поверхности образца Р = 47,4 кПа для стали 38ХН3МА картина зависимости изменилась: с увеличением твёрдости износ увеличивается для образцов из партий № 7–12 и № 13–18. И только на образцах № 19–24 износ резко уменьшился – до 2,5 раз. У образцов из стали 110Г13Л самый малый износ был у изготовленных по техническим требованиям завода-изготовителя. Это самый малый износ при твёрдости 86…87 HRB по сравнению со сталью 38ХН3МА, имеющей твердость около 54 НRС. Таким образом, по результатам эксперимента можно сделать следующие выводы. 1. Твёрдость в процессе эксперимента практически не изменилась. 2. Сталь 110Г13Л показала высокую износостойкость при невысоких нагрузках, если втулка будет изготовлена по технологии завода. 3. Сталь 38ХНМ3А показала высокую износостойкость при невысоких нагрузках, если палец будет подвергнут закалке и низкому отпуску. Эта технология термообработки не применяется заводом-изготовителем. 4. Технология завода при изготовлении деталей из стали 110Г13Л оправдывает максимальную износостойкость. 5. Для деталей из стали 38ХНМ3А, согласно результатам эксперимента, технология завода не оправдывает своё назначение. В то же время энергетический критерий sв∙φ для стали 110Г13Л, по данным [9], (закалка) составил 36 ГПа, а для стали 38ХН3МА (закалка и высокий отпуск) – 62 ГПа, т. е. для стали 38ХН3МА предполагается более высокая износостойкость. Однако наши исследования показали более высокую надёжность стали 110Г13Л по износу, а низкий показатель критерия можно объяснить отсутствием или слабым деформационным упрочнением сплава в ходе эксперимента. Очевидно, что различие в структуре сплавов (аустенитная и перлитная) влияет на сопротивление абразивному изнашиванию. Анализ предложенных критериев оценки абразивной стойкости сплавов и их сопоставление с результатами эксперимента позволяют констатировать, что надёжного оценочного комплекса пока не найдено. Итак, на основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы: 1. Для повышения абразивной стойкости стали 110Г13Л необходима дополнительная упрочняющая технология обработки давлением. 2. Целесообразно увеличение твёрдости стали 38ХН3МА за счёт изменения технологии термообработки пальца.
1. Donskih D. F. Sposoby povysheniya nadezhnosti sharnirnogo soedineniya cherpakovoy cepi dnouglubitel'nyh zemsnaryadov / D. F. Donskih, L. I. Pogodaev // Trenie, iznos, smazka. 2010. T. 13, № 44. S. 15–27.
2. Kragel'skiy I. V. Osnovy raschetov na trenie i iznos / I. V. Kragel'skiy, M. N. Dobychin, V. S. Kombalov. M.: Mashinostroenie, 1977. 526 s.
3. Hruschev M. M. Abrazivnoe iznashivanie / M. M. Hruschev, M. A. Babichev. M.: Nauka, 1970. 252 s.
4. Kozyrev S. P. Gidroabrazivnyy iznos pri kavitacii / S. P. Kozyrev. M.: Mashinostroenie, 1971. 240 s.
5. Suschenko S. A. Udarno-abrazivnyy iznos i mehanicheskie svoystva naplavochnyh materialov / S. A. Suschenko // Problemy treniya i iznashivaniya. 1990. Vyp. 37. S. 34–38.
6. Sorokin G. M. Aspekty metallovedeniya v prirode mehanicheskogo iznashivaniya / G. M. Sorokin, V. N. Malyshev // Trenie i iznos. 2005. T. 26, № 6. S. 598–607.
7. Sorokin G. M. Tribologiya staley i splavov / G. M. Sorokin. M.: Nedra, 2000. 317 s.
8. Cvetkov Yu. N. Napryazhennoe sostoyanie metallov pri iznashivayuschem vozdeystvii abraziva / Yu. N. Cvetkov, L. I. Pogodaev. SPb.: IIC FGOU VPO SPGUVK, 2004. 94 s.
9. Marochnik staley i splavov / Pod obsch. red. V. G. Sorokina. M.: Mashinostroenie, 1989. 640 s.
