УДК 621.791
В. В. Колякин, А. С. Костров, Н. И. Бойко (РГУПС, Россия)
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
По объему применения сварочно-наплавочных работ железнодорожный транспорт занимает одно из ведущих мест в стране. Технологии, основанные на сварке, наплавке и напылении металла, широко применяют при изготовлении и ремонте локомотивов, вагонов и путевых машин, звеньевого и бесстыкового путей, конструкций мостов, вагонных замедлителей, контактной сети, средств связи и другой транспортной техники. Основу технологий составляют дуговые процессы. К сожалению, нет точных данных, но с учетом опыта прошлых лет можно с большой достоверностью предположить, что в общем объеме сварочно-наплавочных работ ~65% приходится на ремонт железнодорожных деталей дуговой сваркой и наплавкой, ~30% – на контактную сварку рельсов и около 5% – на использование специальных и новых способов сварки.
Ввиду больших сложностей поставки новой железнодорожной техники, резкого повышения цен на неё особое значение в настоящее время приобретают проблемы восстановления и упрочнения конструкций и деталей локомотивов для продления срока их службы. Эти проблемы стали одним из главных стратегических направлений научно-технической политики МПС РФ в современных условиях работы железных дорог [1].
Развитие и интенсификация временного производства, рост производительности машин и механизмов, уменьшение их массы и размеров характеризуются постоянным усложнением механических систем, возрастанием скоростей и нагрузок в отдельных узлах и деталях, ужесточением условий и расширением диапазона эксплуатации современного оборудования. Всё это отрицательно сказывается на сроке службы машин и механизмов. Установлено, что наибольшее число отказов (до 80%) обусловлено процессами изнашивания или комплексными причинами, где изнашивание играет доминирующую роль. Большинство деталей ремонтируемых машин выбраковывается вследствие незначительного износа рабочих поверхностей, составляющего не более 1% исходной массы деталей. Износ деталей тракторов, автомобилей, сельскохозяйственных машин, деталей железнодорожного транспорта, дорожно-строительных и погрузочно-разгрузочных машин находится в пределах 0,1…10 мм. Опыт передовых ремонтных предприятий показывает, что свыше 60% деталей при ремонте машин может быть с успехом восстановлено, поскольку у большинства машин и механизмов они имеют значительно более высокий ресурс долговечности по прочности, чем по износостойкости. Как правило, стоимость ремонта (восстановления) составляет 10…30% стоимости новой детали [2]. Повышение износостойкости узлов трения машин является одной из важных проблем народного хозяйства нашей страны. Надежность работы машин непосредственно связана с качеством поверхностного слоя деталей, от которого зависят эксплуатационные свойства – износостойкость, сопротивление усталости, сопротивление контактной усталости, коррозионная стойкость и др. Основные пути повышения износостойкости поверхностей: 1) нанесение на поверхности трения деталей износостойких слоев; 2) изменение химического состава поверхностных слоев путем внедрения легирующих компонентов для образования структур, хорошо сопротивляющихся процессам изнашивания; 3) механическое и (или) тепловое воздействие на поверхностные слои металла, приводящее к структурным и субструктурным превращениям, способствующим повышению стойкости при различных процессах изнашивания.
Использовать остаточный ресурс долговечности по прочности у изношенных деталей можно весьма эффективно с помощью такого прогрессивного способа восстановления и упрочнения, как наплавка. Доля упрочняющей наплавки при изготовлении новых изделий и деталей составляет 32…34%. По разнообразию и объему применения наплавки и других способов восстановления деталей железнодорожный транспорт занимает одно из ведущих мест в народном хозяйстве страны [3].
Прочностные характеристики наплавленных деталей можно повысить с помощью различных способов поверхностно-пластического деформирования (ППД) наплавленного слоя и термообработки [2]. Одним из эффективных видов упрочнения при разнообразных условиях нагружения является ППД деталей накаткой роликом или шарами, дробеструйной обработкой, чеканкой, ротационным или гидроабразивным способом.
Применение ППД позволяет при минимальных затратах повысить усталостную прочность, износостойкость, контактную выносливость деталей и увеличить срок службы машины. ППД очень эффективно в сочетании с другими способами упрочнения. Эти сочетания позволяют использовать преимущества и возможности каждого из упрочняющих способов и тем самым удовлетворить разнообразным требованиям: высокой прочности, вязкости, износостойкости, коррозионной стойкости. При этом можно получить значительно большие показатели статической и циклической прочности, чем при применении каждого способа в отдельности. Исследование трения – износа наплавленного металла при граничной смазке, гидроабразивном изнашивании с постоянным и ступенчатым нагружением и возвратно-поступательным движением деталей показало, что в результате совмещения в одной технологической схеме операций наплавки и ППД роликами, наплавки и термофрезерования, а также наплавки, термофрезерования и ППД роликом износостойкость повышается по сравнению с просто наплавлением. При граничной смазке лучшую износостойкость показывают детали, наплавленные проволокой Св-08Г2С, Нп-30ХГСА и пружинной проволокой 2 кл. под слоем легированного флюса с ППД роликом с усилием 10 кН. При использовании флюса АН-348А лучшая износостойкость у деталей, наплавленных пружинной проволокой 2 кл. с термофрезерованием и ППД роликом с усилием 5…10 кН. При гидроабразивном изнашивании наиболее износостойкими являются детали с наплавленными под легированным флюсом АН-348А пружинной проволокой 2 кл. и проволокой Св-08Г2С с термофрезерованием и ППД роликом с усилием 5…7,5 кН, а при возвратно-поступательном перемещении и изменяющимися по величине нагрузками на детали – с термофрезерованием и ППД роликом, наплавленными под легированным флюсом АН-348А пружинной проволокой 2 кл. и проволокой Св-08Г2С с усилием 10 кН.
Большое влияние на износостойкость наплавленного металла при всех видах изнашивания оказывают микрогеометрия и твердость поверхности детали, структура, микроструктура и состав наплавленного металла, остаточные напряжения, пластичность, наличие пор, раковин и микротрещин в металлопокрытии. Важным направлением снижения интенсивности изнашивания наплавленных деталей являются использование новых легирующих наплавочных материалов, прогрессивных методов механической обработки и упрочнения ППД нанесенного слоя металла с использованием тепла сварочной дуги.
При ремонте деталей машин в основном применяют следующие прогрессивные способы наращивания изношенных поверхностей: автоматическую и полуавтоматическую электродуговую наплавку под слоем флюса, вибродуговую в жидкости, в среде защитных газов и водяного пара. После наплавки изношенных поверхностей применяется механическая обработка как окончательный процесс [3].
Поиск оптимальных решений при проектировании технологического процесса восстановления изношенных деталей имеет ряд следующих особенностей. Технологический процесс состоит из нескольких взаимосвязанных этапов (подготовки деталей к наращиванию, наращивания, упрочнения, предварительной и окончательной механической обработки), каждый из которых выполняется с помощью набора различных операций, реализуемых разными сочетаниями переходов и параметров.
Существует методика выбора рационального способа восстановления, которая основана на использовании трех критериев: применимости, долговечности и технико-экономического. Способ восстановления окончательно оценивается по себестоимости восстановления детали
СВ < КДСН,
где КД – коэффициент долговечности;
СН – стоимость новой детали.
Коэффициент долговечности определяют как функцию трех аргументов
КД = f(КИ, КВ, КСЦ),
где КИ, КВ и КСЦ – коэффициенты износостойкости, выносливости и сцепляемости.
Определение коэффициентов требует проведения стендовых и эксплуатационных испытаний. Их значения зависят не только от способа восстановления, но и от параметров операций, наносимого материала и других факторов. Для получения их надежных оценок необходимо накопление большого объема экспериментальных данных [4].
В ремонтной практике наиболее широкое применение находит электродуговая наплавка под слоем флюса. Большой прирост поверхностной твердости и микротвердости по глубине наплавленного слоя наблюдается при использовании флюса АН-348А, меньший – легированного флюса.
Исследования показывают, что при ремонте строительных и дорожных машин восстановлению подлежат изношенные детали, из которых тела вращения составляют 60,8%, из них стальные – 79,9%, а в их числе 51,2% изготовленных из стали 45.
Оценивая автоматическую наплавку под слоем флюса деталей, следует отметить ее следующие достоинства: высокую производительность процесса за счет применения больших плотностей тока; экономичность процесса в отношении расхода электроэнергии (отсутствие потерь на излучение света и тепла) и электродного металла; возможность получения слоя наплавленного металла большой толщины; равномерность слоя и небольшие припуски на последующую механическую обработку; возможность получения в результате легирования наплавленного металла с необходимыми физико-механическими свойствами; независимость качества наплавленного металла от квалификации исполнителя; улучшение условий труда сварщиков благодаря отсутствию ультрафиолетовых излучений; высокий коэффициент наплавки (14…16 г/ч), так как потери от разбрызгивания не превышают 1,5%.
К недостаткам следует отнести: невозможность наплавки деталей диаметром менее 40 мм из-за стекания наплавленного металла и невозможности удержания флюса на поверхности детали; необходимость и определенную трудность в удалении шлаковой корки; наличие в наплавленном металле пор, раковин, трещин, шлаковых включений; неоднородность структуры наплавленного металла по длине детали; сохранение в наплавленном металле и зоне термического влияния остаточных растягивающих напряжений; снижение усталостной прочности наплавленных деталей; необходимость применения термической обработки наплавленного металла для повышения износостойкости; трудность механической обработки износостойких металлопокрытий повышенной твердости [3].
Большая номенклатура способов сварки, наплавки, напыления и резки металла позволяют решать многие задачи, подбирать технологии, гарантирующие высокие надежность восстановленных деталей и технико-экономический эффект.
Список литературы
1. Н. Железнодорожный транспорт – крупный потребитель сварочных технологий // Сварочное производство. 1994. №10. С. 20–21.
2. Ю., П., В. Современные технологии дуговой наплавки коленчатых валов // Сварочное производство. 1994. №5. С. 4–6.
3. И. Повышение эффективности механической обработки наплавленного металла за счет тепла, генерируемого сварочной дугой: Дис. … д-ра техн. наук. РИИЖТ, 1990. С. 8–17.
4. Г., И., Н. Выбор способа восстановления изношенных деталей // Сварочное производство. 1996. №7. С. 13–15.
Основные порталы (построено редакторами)