автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Повышение долговечности деталей агрегатов электронасосных центробежных скважинных для воды комбинированным упрочнением

На правах рукописи

САМОК Георгий Семенович

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ

АГ РЕГАТОВ ЭЛЕКТРОНАСОСНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СКВАЖИННЫХ ДЛЯ ВОДЫ КОМБИНИРОВАННЫМ УПРОЧНЕНИЕМ

Специальность: 05.02.04 - Трение и износ в машинах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 2005

Работа выполнена в Ивановском государственном энергетическом университете.

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор,

ПОЛЕТАЕВ Владимир Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор,

МЕЛЬНИКОВ Вячеслав Георгиевич

кандидат технических наук, доцент

МАКАРОВ Юрий Федорович Ведущая организация: ОАО «Электроагрегат»

г. Курск

Защита состоится 2005 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д212.062.03 при Ивановском государственном университете по адресу: 153025, г. Иваново, ул. Ермака, д. 39, учебный корпус № 3, ауд. 459.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного университета.

Автореферат разослан « » 2005 г.

Ученый секретарь - -

диссертационного совета ^ Наумов А.Г.

пзь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение качества изготовления агрегатов электронасосных центробежных скважинных для воды имеет важное народнохозяйственное значение. Агрегат состоит из центробежного насоса и погружного электродвигателя. Электродвигатели с высокими эксплуатационными характеристиками обеспечивают бесперебойную и эффективную работу электронасосов.

В большинстве случаев электродвигатели и насосы выходят из строя вследствие износа нагруженных деталей (валов, втулок и т.д.) вследствие их контакта с резинометаллическими подшипниками и жидкостью, проходящей через элементы электронасоса. При этом у электродвигателей и электронасосов разрушается рабочая поверхность деталей (втулки, валы), которая контактирует с подшипниками и с жидкой массой. В основном эти детали изготавливают из дорогостоящих сталей - 40X13 и 12Х18Н10Т. Качество поверхности из этих сталей уже нельзя существенно увеличить за счет легирования или термической обработки.

Поэтому дальнейшее улучшение качества рабочих поверхностей деталей агрегатов возможно только за счет замены марок сталей 12Х18Н10Т и 40X13 на другую сталь, например, более дешевую сталь 45, и применения многокомпонентных покрытий.

Целенаправленное изменение свойств поверхностных слоев детали путем использование покрытий и поверхностной механической обработки для уменьшения износа и увеличения коррозионной стойкости - хорошо известная и развитая технология. Однако это направление становится все более важным вследствие того, что требования к физико-механическим и химическим свойствам конструкционных материалов становятся все более жесткими и точными. Как следствие,

для достижения максимальной эффективности, возни-кае1 необходимость улучшения существующих сис1ем покрытий и поверхностной обработки с целью удовлетворения постоянно возрастающих требований конструкторов.

Цель работы. Целыо настоящей работы является повышение качества изготовления деталей агрегатов электронасосных центробежных скважинных для воды за счет улучшения их эксплуатационных характеристик путем применения комбинированной упрочняющей обработки.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведен анализ качества изготовления роторных валов и втулок электронасосов и электродвигателей, технологии изготовления, условий эксплуатации;

- проведен анализ современных методов упрочнения деталей машин;

- выявлены и исследованы причины низкой износостойкости роторных валов и втулок;

разработаны и изготовлены установки и инструмент для нанесения гальванопокрытий из хрома с ультраалмазами, алмазного выглаживания и импульсной магнитной обработки;

- проведены эксперименты по исследованию влияния гальванопокрытия из хрома с ульграалмазами, алмазного выглаживания, импульсной магнитной обработки и их комбинаций на механические характеристики втулок различного диаметра из разных сталей;

- проведены эксперименты по исследованию влияния гальванопокрытия, алмазного выглаживания, импульсной магнитной обработки и их комбинаций на износостойкость роторных валов и втулок различного диаметра из разных сталей;

- выявлен механизм изнашивания деталей, упрочненных нанесением гальванопокрытия из хрома с ультраалмазами;

- разработаны технологии упрочнения деталей электронасосов и электродвигателей с нанесением гальванопокрытия из хрома с ультраалмазами, алмазного выглаживания и импульсной магнитной обработки;

- проведены опытные испытания технологий упрочнения нанесением гальванопокрытия, алмазного выглаживания и импульсной магнитной обработки.

Методы исследования. Методической и теоретической основой работы явились труды отечественных и зарубежных ученых по технике и технологии упрочнения, технологии машиностроения, физики твердого тела, магнетизма, трения и износа. Для исследования поверхностей деталей использовалась профилометрия, оптическая микроскопия, а для обработки и анализа данных экспериментов широко применялась ПЭВМ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- установлено изменение физико-механических и эксплуатационных свойств деталей электронасосов и электродвигателей в результате упрочнения путем нанесения гальванопокрытия из хрома и ультроалмаза, алмазного выглаживания, импульсной магнитной обработки и их комбинаций;

- выявлен механизм изнашивания поверхностей деталей электронасосов и электродвигателей, упрочненных путем нанесения гальванопокрытия из хрома и ультраалмаза, алмазного выглаживания, импульсной магнитной обработки и их комбинаций.

Практическая ценность работы. Полученные результаты экспериментальных исследований позволили:

- разработать конструкции установок гальванопокрытия из хрома и ультраалмаза, импульсной магнитной обработки, инструмента для алмазного выглаживания;

- разработать технологии для упрочнения деталей путем нанесения гальванопокрытия, алмазного выглаживания, импульсной магнитной обработки и их комбинаций;

- повысить износостойкость деталей из стали 45, упрочненной нанесением гальванопокрытия из хрома и ульграалмаза в 2,9 раз; комбинированным упрочнением из гальванопокрытия и алмазного выглаживания в 3,3 раза; комбинированным упрочнением из гальванопокрытия, алмазного выглаживания и импульсной магнитной обработки в 3,5 раз.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Технология автоматизированного машиностроения» (ИГЭУ, Иваново, 2002-2005 г.), Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Бенардосовские чтения) (Иваново, 2003 г.), Международной научно-технической конференции «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2002, 2003 г.), Всероссийской научно-технической конференции» «Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении» (Н.Новгород, 2003 г.), Международной научно-технической конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, 2003, 2005 г.), Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (Саранск, 2003 г.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка из 96 наименований и приложения. Содержит 162 страницы машинописного текста,154 рисунка, 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы и научные положения, выносимые на защиту. Даны аннотация работы и общая характеристика результатов исследований, полученных в диссертации.

В первой главе содержится литературный обзор и патентные исследования о состоянии и проблемах повышения качества деталей (роторных валов и втулок) агрегатов электронасосных центробежных скважинных для воды. Рассмотрена номенклатура электронасосов, входящих в состав агрегатов.

Агрегат состоит из центробежного насоса и погруженного электродвигателя. Валы насоса и двигателя соединены с помощью муфты жесткого типа и вращаются в резинометаллических подшипниках. Валы изготовлены из стали 45. В местах контакта с подшипниками на валы насажены втулки из стали 40X13 или 12Х18Н10Т с термообработкой НИС до 48-52 ед.

В результате работы агрегата происходит сильный износ поверхностей втулок, приводящий иногда к заклиниванию валов.

Известно много традиционных способов упрочнения поверхностных слоев деталей. К ним относятся методы поверхностной закалки, различные химико-термические методы обработки (цементация, азотирование и т. д ), наплавки, гальванические методы. Одним

из эффективнейших методов упрочнения является поверхностное пластическое деформирование, которое существенно изменяет состояние и свойства поверхностных слоев. Другим прогрессивным методом упрочнения деталей является магнитная обработка. Изучению вопросов упрочнения поверхностных слоев деталей машин посвящены работы Котова O.K., Папшева Д.Д., Сорокина В.М., Лещинского Л.И., Смелянского В.М., Леонтьева п.А., Малыгина Б.И. и др.

В работах рассматриваются вопросы сущности упрочнения, их эффективности с точки зрения повышения эксплуатационных характеристик деталей В то же время недостаточно полно изучены методы комбинированного упрочнения поверхностей деталей, как такие, например, как покрытие из хрома и дополнительное алмазное выглаживание и импульсная магнитная обработка и г. д.

На основании литературного обзора обоснована актуальность, поставлены цель и задачи исследований.

Во второй главе приводятся исследования по разработке установки для получения хромалмазного покрытия, конструкции инструмента для алмазного выглаживания. установки для исследования деталей на износ, конструкции импульсной магнитной установки.

Установка для нанесения гальванопокрытия из хрома и ультраалмазов включает ванну хромирования, резервуар, циркуляционный насос, фильтры и трубопроводы. Нагрев электролита (СЮз, ультраалмазы, H2SO4) до температуры 50°С ведется в резервуаре путем подачи горячей воды в змеевик при одновременной циркуляции раствора. Деталь до нанесения покрытия подвергалась отделочной обработке с целью уменьшения исходной величины шероховатости. Затем она подвергается анодному травлению при температуре не ниже 50°С и помещается в ванну хромирования с циркулирующим электролитом, где проводится электроосаж-

дение хрома с ультраалмазами в течение заданного промежутка времени на толщину покрытия 20 мкм.

Для проведения выполнения технологии алмазного выглаживания поверхностей роторных вгулок разработана конструкция и изготовлен алмазный выглаживатель с упругим элементом нагружения, который позволяет регулировать силу выглаживания и обеспечивать постоянство этой силы независимо от погрешностей установки и точности геометрической формы заготовки.

Для упрочнения деталей насоса и двигателя импульсной магнитной обработкой разработана и изготовлена импульсная магнитная установка, включающая возбудитель импульсов и магнитный индуктор. Возбудитель импульсов представляет собой электронный ключ выполненный на тиристорах. Он замыкается по командам из управления и размыкается при переходе тока в цепи через ноль. Блок управления позволяет регулировать длительность и число импульсов. Магнитный индуктор представляет собой соленоид, который создает магнитное поле, воздействующее на деталь, расположенную внутри соленоида.

Для исследования деталей на износ была модернизирована установка, представляющая собой динамометр с индуктивными датчиками для измерения сил резания.

Рис. 2.1. Схема экспериментальной установки

Установка (рис. 2.1) включает: 1 - образец; 2 - шпиндель токарного станка 16К20; 3 - упругий элемент; 4 - индикатор, 5 - динамометр с индуктивными датчиками; 6 - резцедержатель станка, 7 - салазки; 8 - контртело.

В третьей главе исследовано влияние различных методов упрочнения на механические свойства стали 45, 40X13, 12Х18Н10Т.

Упрочнение проводилось нанесением гальванопокрытия из хрома с ультраалмазами, алмазным выглаживанием, импульсной магнитной обработкой и их комбинацией.

Микротвердость НУ измерялась на поверхностях роторных втулок диаметров 23 мм, 30 мм, 40 мм, и 60 мм из стали 45, 40X13, 12Х18Н10Т. Исследовались поверхности после точения, термообработки, алмазного выглаживания, гальванопокрытия из хрома и ультраалмаза и импульсной магнитной обработки.

Термообработка (закалка в масле) проводилась на втулках диаметрами 40 мм и 60 мм из стали 45, диаметром 60 мм из стали 12Х18Н10Т, диаметром 40 мм из стали 40X13.

Алмазное выглаживание осуществлялось после точения, шлифования, термообработки, гальванопокрытия. Скорость вращения - 200 об/мин, подача - 0,015 мм/об; сила выглаживания - 200-300 Н.

Гальванопокрытие из хрома с ультраалмазами наносилось на втулки диаметрами 23 мм, 30 мм, 40 мм и 60 мм из стали 45.

Импульсной магнитной обработке подвергались втулки всех диаметров после термообработки и алмазного выглаживания. Напряженность магнитного поля - 800кА/м, количество импульсов - 3, длительность импульса - 0,1 с, промежуток времени между импульсами - 1 с.

На рис 3.1 показана диаграмма изменения микротвердости НУ в зависимости от метода упрочнения для втулок из сталей 45.

НУ (ед)

□ 1 точение+алмазное выглаживание

В 2 точение+алмазное выглаживание+магнитная обработка

□ 3 ТО (термообработка)

□ 4 ТО+магнитная обработка

■ 5 ТО+алмазное выглаживание

О 6 ТО+алмазное выглаживание+магнитная обработка

■ 7 уапьтраалмаз

□ 8 ультраалмаз+алмазное выглаживание

■ 9 ультраалмаз+алмазное вынлаживание+магнитная обработкг

Рис. 3.1. Диаграмма изменения микротвердости НУ в зависимости от метода обработки для стали 45 диаметром 0 40 мм

Анализ графиков (рис.3.1) показывает существенное увеличение микротвердости для стали 45 после гальванопокрытия и алмазного выглаживания.

Были проведены исследования по измерению величины шероховатости поверхностей роторных втулок из сгалей 45, 40X13 и 12Х18Н10Т после точения, шлифования, гальванопокрытия из хрома с ультраалмазами и алмазного выглаживания. Исследованиями установлено, что алмазное выглаживание уменьшает величину шероховатости Ла по сравнению с шероховатостью после точения и нанесения гальванопокрытия в 1,5-2,6 раза. Исследование поверхностного слоя роторных втулок, обработанных различными методами, проводилось с помощью микроскопа МИМ-8 и цифровой камеры.

На рис 3.2 - 3.3 показана поверхность стали 45 с нанесенным гальванопокрытием из хрома и ультраалмазов соответственно до и после алмазного выглаживания.

Рис. 3.2. Поверхность стали 45 (060мм) с нанесённым слоем хрома и ультра алмаза (продольный разрез)

Рис. 3.3. Поверхность стали 45 (060мм) с нанесённым слоем хрома и улыра алмаза после алмазного выглаживания (продольный разрез)

Анализ рис 3.3. показывает, что алмазное выглаживание уменьшает толщину слоя гальванопокрытия и увеличивает микротвердость (рис.3.1).

Обработка роторных втулок импульсным магнитным полем также увеличивает микротвердость.

В четвертой главе представлены результаты исследования роторных втулок на износ. Исследования проводились с втулками диаметров 23 мм, 30мм, 40 мм, 60 мм из стали 45; втулками диаметром 40 мм из стали 40X13 и втулками диаметром 60 мм из стали 12Х18Н10Т, упрочненных различными методами.

Исследования проводились на специальной установке (глава 2), смонтированной на токарном станке 16К20.

Контртело было изготовлено из чугуна СЧ12 и имело контактирующую поверхность размером 10x10 мм и выполненную в виде вогнутой цилиндрической по-

верхности для образцов диаметрами 23, 30, 40 и 60 мм. Скорость вращения втулок - 3 м/с, нагрузка в зоне контакта 100-300 Н в зависимости от материала втулки.

На рис.4.1-4.2 показано влияние метода упрочнения на износ поверхностей деталей из стали 45 и 40X13, а на рис. 4.3 - 4.4 микрофотографии износа поверхности втулки диаметром 40 мм из стали 45 с гальванопокрытием из хрома с ультраалмазами. Анализ микрофотографий показывает, что исходная поверхность покрытия хромом с ультраалмазами имеет выступы (рис. 4.3, а), а после обработки алмазным выглаживанием (рис.4.4, а) этих выступов нет, так как вдавлены в поверхность алмазным выглаживанием. На поверхности хрома присутствует сетка трещин, что является типичным для хромовых покрытий. Трещины образуются в процессе электроосаждения в результате концентрации внутренних напряжений. Исследованиями установлено, что на ранних стадиях испытания на износ сначала изнашиваются вершины выступов, а затем уже сама поверхность покрытия. В дальнейшем под действием внешней нагрузки исходные трещины растут с образованием новых трещин. Развитие процесса изнашивания приводит в начале к локальному разрушению покрытия, а затем - к общему его разрушению. Это разрушение происходит на основе усталостного механизма. Причем ясно определена связь между исходной поверхностью и образованием и ростом трещин как на начальной, гак и на конечной стадиях износа. Это указывает на важность качества исходной поверхности в сопротивлении изнашиванию.

Были проведены испытания по нанесению гальванопокрытия из хрома с ультраалмазами на роторных втулках из стали 45 на ОАО «Бавленский завод «Электродвигатель». Экономические расчеты показали, что прямые затраты на изготовление одной втулки из стали 40X13 составляют 27.14 рублей, а из стали 45 с гальванопокрытием - 24.33 рубля.

6 7 8 9 10

Рис. 4.1. Влияние метода упрочнения на износ поверхности детали 040мм из стали 45: 1 - (исходная) точение; 2 - точение + алмазное вызгаживание (АВ); 3 - точение + АВ+ + импульсная магнитная обработка (МИО); 4 - термообработка (ТО); 5 - ТО + МИО; 6 - ТО + АВ; 7 - ТО + АВ + МИО;

8 - гальванопокрытие из хрома с ультраалмазами (УА);

9 - УА + АВ; 10 - УА + АВ + МИО

-434*4-

Рис. 4.2. Влияние метода упрочнения на износ поверхности детали 040мм из стали 40X13: 1 - точение; 2 - точение + + АВ; 3 - АВ + МИО; 4 - ТО; 5 -ТО + АВ; 6 - ТО + + АВ + МИО

Рис. 4.3. Микрофотографии износа поверхности детали 040мм из стали 45:

а) исходная после гальванопокрытия из хрома с ультраалмазами; б) после 1 мин изнашивания; в) после 5 мин изнашивания; г) после 10 мин изнашивания; д) после 15 мин изнашивания; е) после износа

Рис. 4.4. Микрофотографии износа поверхности детали 040мм из стали 45:

а) исходная после гальванопокрытия из хрома с ультраалмазами и последующего алмазного выглаживания; б) после 1 мин изнашивания; в) после 5 мин изнашивания; г) после 10 мин изнашивания; д) после 15 мин изнашивания; е) после износа

Основные результаты и выводы по работе

Проведенные исследования по решению проблемы повышения работоспособности деталей электронасосов и электродвигателей позволили сделать следующие выводы:

- проведены экспериментальные исследования влияния упрочнений нанесением гальванопокрытия из хрома с ультраалмазами, алмазным выглаживанием, импульсной магнитной обработкой и их комбинации на эксплуатационные показатели роторных втулок. Исследования показали повышение износостойкости деталей упрочненных нанесением гальванопокрытия из хрома и ультраалмазов в 2,9 раза, нанесением гальванопокрытия и последующим алмазным выглаживанием в 3,3 раза, нанесением гальванопокрытия и последующим алмазным выглаживанием и импульсной магнитной обработки в 3,5 раза. Выявление увеличения микротвердости в 2,4 раза, уменьшение величины шероховатости Яа после алмазного выглаживания в 2,6 раз;

- раскрыт механизм изнашивания поверхности роторных втулок, упрочненной нанесением галванопокрытия из хрома с ультраалмазами. Установлено, что разрушение покрытия происходит на основе усталостного механизма;

- исследованы особенности эксплуатации агрегатов электронасосных центробежных скважинных для воды, снижающие эксплуатационные характеристики. Установлено, что основными факторами снижающими износостойкость роторных втулок является низкое качество их поверхностного слоя;

- разработаны конструкции и изготовлены установка для хромирования, инструмент для алмазного выглаживания, установка для импульсной магнитной обработки деталей, динамометр для исследования роторных втулок на износ;

- разработаны технологии нанесения гальванопокрытий из хрома с ультраалмазами, алмазного выглаживания, импульсной магнитной обработки и их комбинации. Получены оптимальные режимы обработки.

Основное содержание диссерации опубликовано в следующих работах:

1. Басыров И.З., Полетаев В.А., Самок Г.С., Волков A.A. Оптимизация режимов импульсной магнитной обработки методами математического планирования эксперимента. //Современная электротехнология в промышленности центра России. Сб. трудов. Тула: ТулГУ,

- 2002, с.110-115.

2. Самок Г.С., Полетаев В.А. Упрочнение поверхностей деталей электронасосов комбинированным способом .//Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении. Сб. статей. - Нижний Новгород -Арзамас: НГТУ-АФНГТУ. 2003, с. 121-124.

3. Полетаев В.А., Басыров И.З., Самок Г.С. Влияние импульсной магнитной обработки на физико механические свойства углеродистой стали. //Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов. Материалы международной конференции.

- Воронеж: ВГТУ. 2003, с. 134-136.

4. Самок Г.С., Полетаев В.А. Применение ультраалмазов в гальванических покрытиях на основе хрома для повышения износостойкости деталей. // Состояние и перспективы развития электротехнологии. Тезисы международной конференции. - Иваново: ИГЭУ. 2003,

- с.129.

5. Самок Г.С., Полетаев В.А. Упрочнение деталей электронасосов путем нанесения покрытий на основе хрома и ультраалмазов. //Современная электротехнология в промышленности центра России. Сб. трудов. - Тула: ТулГУ. 2003, с. 156-158.

6. Самок Г.С., Полетаев В.А. Упрочнение деталей электронасосов комбинированными способами. //Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем. Материалы международной конференции. - Саранск: МГУ. 2003, с.42-45.

7. Самок Г.С., Полетаев В.А. Повышение долговечности деталей электронасосов путем нанесения специальных покрытий. //Физика, химия и механика трибоси-стем. С. Трудов, вып 3. - Иваново: ИвГУ. 2004, с. 120-122.

8. Полетаев В.А., Самок Г.С. Повышение долговечности деталей электронасосов комбинированными способами. //Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов. Материалы международной конференции. - Воронеж: ВГТУ. 2005, с 51-52.

САМОК Георгий Семенович

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ

АГ РЕГА ГОВ ЭЛЕК'1 РОНАСОСНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СКВАЖИННЫХ ДЛЯ ВОДЫ КОМБИНИРОВАННЫМ УПРОЧНЕНИЕМ

АВ ГОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Лицензия ИД № 05285 от 4 июля 2001 г. Подписано в печать 11 05 2005 Формат 60x84 1/16 Печать плоская Уел печ л 1,16 Тираж 80 экз Заказ № 132 ГОУ ВПО «Иванопский государственный энергетический университет им В И. Ленина» 153003, Иваново, ул Рабфаковская, 34 Отпечатано в РИО ИГЭУ.

? 1 О 6 68

РНБ Русский фонд

2006-4 8296

Введение

ГЛАВА ПЕРВАЯ. Состояние вопроса и постановка задачи исследо- 6 вания

1.1. Анализ работы электронасоса, электродвигателя и их эле- 6 ментов

1.2. Требования к механическим свойствам деталей электрона- 12 coca и электродвигателя, контактирующих с подшипниками скольжения и с жидкой массой

1.3. Существующие методы отделочно-упрочняющей обработ- 13 ки, применяемые для повышения износостойкости металлических поверхностей

1.3.1. Борирование

1.3.2. Хромирование

1.3.3. Карбохромирование

1.3.4. Нитроцементация

1.3.5. Карбонитрация

1.3.6. Ионное азотирование

1.3.7. Хромовое покрытие с ультраалмазами

1.3.8. Цементация

1.3.9. Азотирование

1.3.10. Цианирование

1.4. Технология алмазного выглаживания

1.5. Возможности магнитной обработки и магнитных установок

Выводы и задачи исследования

ГЛАВА ВТОРАЯ. Конструкторская часть

2.1. Разработка блок-схемы узла хромирования

2.2. Разработка и изготовление конструкции алмазного выгла-живателя

2.3. Разработка конструкции импульсной магнитной установки

2.4. Разработка и изготовление экспериментальной установки для исследования деталей на износ

Выводы

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Исследование механических свойств деталей, упрочненных различными способами

3.1. Измерение твердости образцов деталей

3.2. Измерение величины шероховатости поверхности деталей

3.3. Исследование поверхностного слоя деталей из различных материалов, упрочненных разными способами

3.3.1. Исследование поверхностного слоя детали из стали

3.3.2. Исследование поверхностного слоя детали из стали 45 с 86 покрытием из хрома с ультраалмазом

3.3.3. Исследование поверхностного слоя детали из стали 94 40X13 и 12Х18Н10Т

3.4. Проведение испытаний по упрочнению втулок в заводских условиях

Выводы

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Исследование деталей на износостойкость

4.1. Методика проведения экспериментов

4.2. Проведение экспериментов по исследованию деталей на износостойкость

4.2.1. Измерение силы трения в зоне контакта

4.2.2. Выявление характера изнашивания поверхностей роторных втулок

Выводы

Повышение качества изготовления агрегатов электронасосных центробежных скважинных для воды имеет важное народно-хозяйственное значение. Агрегат состоит из центробежного насоса и нагруженного электродвигателя. Электродвигатели с высокими эксплуатационными характеристиками обеспечивают бесперебойную и эффективную работу электронасосов.

В большинстве случаев электродвигатели и насосы выходят из строя вследствие износа нагруженных деталей (валов, втулок и т.д.) вследствие их контакта с резинометаллическими подшипниками и жидкостью, проходящей через элементы электронасоса. При этом у электродвигателей разрушается только рабочая поверхность деталей (втулки, валы), которая контактирует с подшипниками и с жидкой массой. В основном эти детали изготавливают из дорогостоящих сталей - 40X13 и 12Х18Н10Т. Качество поверхности из этих сталей уже нельзя существенно увеличить за счет легирования или термической обработки.

Поэтому дальнейшее улучшение качества рабочих поверхностей деталей агрегатов возможно только за счет замены марок сталей 12Х18Н10Т и 40X13 на другую сталь, например сталь 45 более дешевую, и применения многокомпонентных покрытий.

Целенаправленное изменение свойств поверхностных слоев детали путем использование покрытий и поверхностной механической обработки для уменьшения износа и увеличения коррозионной стойкости - хорошо известная и развитая технология. Однако это направление становится все более важным вследствие того, что требования к физико-механическим и химическим свойствам конструкционных материалов становятся все более жесткими и точными. Как следствие, для достижения максимальной эффективности, возникает необходимость улучшения существующих систем покрытий и поверхностной обработки с целью удовлетворения постоянно возрастающих требований конструкторов.

Цель работы

Повышение качества изготовления деталей агрегатов электронасосных центробежных скважинных для воды за счет улучшения их эксплуатационных характеристик путем применения комбинированной упрочняющей обработки.

Научная новизна

Установлено изменение физико-механических и эксплуатационных свойств деталей электронасосов и электродвигателей в результате упрочнения путем нанесения гальванопокрытия из хрома и ультроалмаза, алмазного выглаживания, импульсной магнитной обработки и их комбинаций.

Выявлен механизм изнашивания поверхностей деталей электронасосов и электродвигателей, упрочненных путем нанесения гальванопокрытия из хрома и ультраалмаза, алмазного выглаживания, импульсной магнитной обработки и их комбинаций.

Практическая значимость

Полученные результаты экспериментальных исследований позволили:

1. Разработать конструкции установок гальванопокрытия из хрома и ультраалмаза, импульсной магнитной обработки, инструмента для алмазного выглаживания.

2. Разработать технологии для упрочнения деталей путем нанесения гальванопокрытия, алмазного выглаживания, импульсной магнитной обработки и их комбинаций.

3. Повысить износостойкость деталей из стали 45, упрочненной нанесением гальванопокрытия из хрома и ультраалмаза в 2,9 раз; комбинированным упрочнением из гальванопокрытия и алмазного выглаживания в 3,3 раза; комбинированным упрочнением из гальванопокрытия, алмазного выглаживания и импульсной магнитной обработки в 3,5 раза.

Основные результаты и выводы по работе

Проведенные исследования по решению проблемы повышения работоспособности деталей электронасосов и электродвигателей позволили сделать следующие выводы:

1. Исследованы особенности эксплуатации агрегатов электронасосных центробежных скважинных для воды, снижающие эксплуатационные характеристики. Установлено, что основными факторами снижающими износостойкость роторных втулок является низкое качество их поверхностного слоя.

2. Разработаны конструкции и изготовлены установка для хромирования, инструмент для алмазного выглаживания, установка для импульсной магнитной обработки деталей, динамометр для исследования роторных втулок на износ.

3. Разработаны технологии нанесения гальванопокрытий из хрома с ультраалмазами, алмазного выглаживания, импульсной магнитной обработки и их комбинации. Получены оптимальные режимы обработки.

4. Проведены экспериментальные исследования влияния упрочнений нанесением гальванопокрытия из хрома с ультраалмазом, алмазным выглаживанием, импульсной магнитной обработкой и их комбинации на эксплуатационные показатели роторных втулок. Исследования показали повышение износостойкости деталей, упрочненных нанесением гальванопокрытия из хрома и ультраалмазов в 2,9 раза, нанесением гальванопокрытия и последующим алмазным выглаживанием в 3,3 раза, нанесением гальванопокрытия и последующими алмазным выглаживанием и импульсной магнитной обработкой в 3,5 раза. Выявлено увеличение микротвердости в 2,4 раза, уменьшение величины шероховатости Ra после алмазного выглаживания в 2,6 раз.

5. Раскрыт механизм изнашивания поверхности роторных втулок, упрочненной нанесением гальванопокрытия из хрома с ультраалмазами. Установлено, что разрушение покрытия происходит на основе усталостного механизма.

1. Насосы: Каталог-справочник /Д.Н. Азарх, Н.В. Попова, Л.П. Монахова; ВНИИгидро-машиностроение. 3-е изд. испр., М.: Д.: Машгиз (Ленингр. отд-ние), 1960 - 552 с.

2. Насосы: Справ, пособие /(К. Бадене, А. Градевальд и др.); пер. с нем. В.В. Малюшенко, М.К. Бобка. М.: Машиностроение, 1979. - 502 с.

3. Насосы и компрессоры. М.: Недра, 1974. 296 с.

4. Котов O.K. Поверхностное упрочнение деталей химико-термическими методами. М.: Машиностроение, 1969, - 344 с.

5. Абрамов В.В. Напряжения и деформация при термической обработке стали. — Киев.: Вища шк., 1985. -135 с.

6. Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами /А.Г. Бойцов и др. М.: Машиностроение, 1991. - 144 с.

7. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. М.: Машиностроение, 1978. - 184 с.

8. Васильева А.Г. Деформационное упрочнение закаленных конструкционных сталей, М.: Машиностроение, 1981. - 231 с.

9. Лаптев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием.

10. Тушинский Л.И. Теория и технология упрочнения металлических сплавов. — Новосибирск, Наука, 1990, - 304 с.

11. Каледин Б.А. Повышение долговечности деталей поверхностным упрочнением. Минск, Наука и техника, 1974. - 231 с.

12. Сорокин В.М. Повышение качества поверхности и долговечности деталей машин ударно-импульсной и комбинированной обработкой. — Н.Новгород, ATM, 1996 246 с.

13. Бабей Ю.И. Физические основы импульсного упрочнения стали и чугуна. — Киев.: Науч. Думка, 1988, 237 с.

14. Лазерное и электроэрозионное упрочнение материалов /Под ред. П.Н. Родина. М.: Наука, 1986, - 275 с.

15. Леонтьев П. А. Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов, — М.: Металлургия, 1986. 146 с.

16. Коваленко B.C. Упрочнение и легирование деталей машин лучом лазера. — Киев.: Техника, 1990, 190 с.

17. Плазменное поверхностное упрочнение./Под ред. Л.И. Лещинского. — Киев.: Техника, 1990, 107 с.

18. Ярошевич В.И. Электроконтактное упрочнение. Минск, Наука и техника, 1982,-256 с.

19. Хасуй А. Наплавка и напыление. М.: Машиностроение, 1985, - 239 с.

20. Шоршоров М.Х. Физико-химические основы детоционно-газового напыления покрытий. М.: Наука, 1978, - 224 с.

21. Малыгин Б.В. Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин. — М.: Машиностроение, 1989, 112 е.: ил. 22 см.

22. Анцупов А.А. Влияние намагничивания режущего инструмента на его износ при резании титановых сплавов. //Труды Ташкентского политехнического института. Вып. 133,1974. с. 17-19.

23. Башков В.М., Кацев П.П. Испытания режущего инструмента на стойкость. — М.: Машиностроение, 1985, 136 с.

24. Бороухин Ю.А. О стойкостных зависимостях сверл, подвергнутых магнитной обработке. //Труды Горьковского политехнического института. Вып. 39,1977, с. 36-39.

25. Галей М.Т. и др. Изучение влияния магнитного поля на стойкость быстрорежущего инструмента. //Станки и инструменты, 1981, № 6, с. 31-34.

26. Макаров А.Д. Некоторые вопросы влияния магнитного поля на стойкостные характеристики режущего инструмента. //Труды Уфимского политехнического института. Вып. 77, 1975, с. 168-176.

27. Малыгин Б.В. Магнитное упрочнение ножей для гильотинных ножниц. //Вестник машиностроения, № 3, 1987, 20 с.

28. Малыгин Б.В. Повышение стойкости инструмента и оснастки магнитной обработкой. //Металлург, 1987, № 10, с. 46-47.

29. Молчанова Н.Г. Влияние магнитного состояния инструментального материала на процессы резания и трения металлов. //Труды Ташкентского политехнического института. Вып. 83, 1972, с. 89-92.

30. Якунин Г.И., Молчанова Н.Г. Электрические явления при трении и резании металлов. М.: Наука, 1969. 280 с.

31. Постников С.Н. К вопросу об исследовании электрических явлений при трении и резании металлов. М.: Наука, 1969. 108 с.

32. Постников С.Н. Электрические явления при трении и резании. — Волго-Вят. кн. изд-во, 1975, 280 с.

33. Гордиенко JI.K. Субструктурное упрочнение металлов и сплавов. М.: Наука, 1973.233 с.

34. Маталин А.А. Технологические методы повышения долговечности деталей машин. Киев, Техника, 1971.

35. Справочное руководство по гальванопокрытиям. Перев. с нем. М.: Металлургия, 1969.-418с.

36. Гальванические покрытия в машиностроении. Под ред. В.А.Ямпольского. -Ленинград.: Машиностроение, 1981, —310с.

37. Черкез М.Б. Хромирование и железнение. м. Машиностроение, 1982. - 215с.

38. Покрытия и обработка поверхности для защиты от коррозии и износа: сб. статей под. ред. К.Н. Страффорда. М.: Металлургия, 1991. - 300с.

39. Лахтин Ю.М. Материаловедение. Машиностроение, 1980. - 403с. АО.Технология конструкционных материалов. - М.: Машиностроение, 1992 - 448 с.

40. Справочник металлиста. В5-и т. Т2. Под ред. А.Г. Рахштадта. М.: Машиностроение, 1976. 720 с.

41. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. — М.: Машиностроение, 1979. — 544 с.

42. Одинцов Л.Г. Финишная обработка деталей алмазным выглаживанием и вибровыглаживанием. М.: Машиностроение, 1981. - 160 с.

43. Повышение несущей способности деталей машин алмазным выглаживанием /В.К. Яценко, Г.З. Зайцев. М.: Машиностроение, 1985. - 232 с.

44. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2002. - 300 с.

45. А.с. СССР №1675364. Способ магнитного упрочнения инструмента. /МКИ С21Д 9/24. Опубл. в Б.И. №33, 1991.

46. А.с. 1271700 СССР. Способ изготовления режущего инструмента. /МКИ В23 Р15/23. Опубл. в Б.И. №43, 1986.

47. А.с. 1440936 СССР. Способ исследования режима импульсной магнитной обработки режущего инструмента. /МКИ С21Д 1/04. Опубл. в Б.И. №44, 1988.

48. А.с. 12022774 СССР. Установка для магнитной обработки режущего инструмента. /МКИ В23 Р 15/28. Опубл. в Б.И. №1, 1986.

49. А.с. 1313619 СССР. Устройство для магнитной обработки режущего инструмента. /МКИ В23 15/28. Опубл. в Б.И. №20, 1987.

50. А.с. 1315209 СССР. Устройство для магнитной обработки режущего инструмента. /МКИ В23 15/28. Опубл. в Б.И. №21, 1987.

51. А.с. 1389978 СССР. Устройство для магнитного упрочнения режущего инструмента. /МКИ В23 15/00. Опубл. в Б.И. №15, 1988.

52. А.с. 1491639 СССР. Установка для магнитной обработки режущего инструмента. /МКИ В23 15/28. Опубл. в Б.И. №25, 1989.

53. А.с. 1634420 СССР. Устройство для магнитной обработки режущего инструмента. /МКИ В23 15/28. Опубл. в Б.И. №10, 1991.

54. А.с. 1313619 СССР. Устройство для магнитной обработки режущего инструмента. /МКИ В23 15/28. Опубл. в Б.И. №20, 1987.

55. Бернштейн М.Л., Пустовойт В.Н. Термическая обработка стальных изделий в магнитном поле.- М: Машиностроение, 1987, 256 с.

56. Малыгин Б.В. и др. Повышение надежности инструмента, приспособлений и деталей с помощью магнито-импульсной обработки.//Лесное хозяйство, 1987, №7,63 с.

57. Малыгин Б.В. и др. Эффективность внедрения магнитной обработки инструмента и деталей машин.//Технология и организация производства, 1988, №1, с.7-9.

58. Есин А.П., Пашкович В.И. Магнито-импульсная обработка металлов. — НИИМАШ. Вып. 14(108), с. 42-49.

59. А.с. 1435621 СССР. Способ магнито-тепловой обработки тел вращения из труднообрабатываемых сплавов. /МКИ С21Д 1/04. Опубл. в Б.И. №41, 1988.

60. А.с. 1544815 СССР. Способ магнитной обработки деталей. /МКИ С21Д 1/04. Опубл. в Б.И. №20, 1987.

61. А.с. 1544815 СССР. Устройство для магнитной обработки деталей. /МКИ С219 1/04. Опубл. в Б.И. №43, 1991.

62. А.с. 1752783 СССР. Способ магнитной обработки зубчатых колес. /МКИ С21Д 1/04. Опубл. в Б.И. №29, 1992.

63. А.с. 1520114 СССР. Способ термомеханической магнитной обработки профилей из железо-хром-кобальтовых сплавов. /МКИ С21Д 8/12.

64. А.с. 1629328 СССР. Установка для термомагнитной обработки магнито-проводов. /МКИ С21Д 1/04. Опубл. в Б.И. №7, 1991.

65. Гузенков П.Г. Детали машин.-М.: Высшая школа, 1986, 490 с.

66. Малыгин Б.В. Магнитное повышение долговечности работы и коррозионной стойкости оборудования пищевой промышленности. /Пищевая промышленность, 1987, №1, с.47-48.

67. Малыгин Б.В. Магнитоупрочнение деталей горного и обогатительного производства. //Уголь Украины, 1987, №6, с.44-46.

68. Барон Ю.М. Магнито-абразивная и магнитная обработки изделий и режущих инструментов. JL: Машиностроение, 1977, 229с.

69. Малыгин Б.В. Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин.-М.: Машиностроение, 1989.-112с.:ил.

70. Малыгин Б.В., Тихонов С.А. Магнитное упрочнение рессор и пружин. //Машиностроение, 1988, №7, с.20-21.

71. Марков С.И. Исследование влияния постоянного магнитного поля на кинематику фазовых превращений, структуру и механические свойства конструкционных сталей: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.: ЦНИИТМаш, 1970, 22 с.

72. Влияние постоянного магнитного поля на диффузионный распад переохлажденного аустенита./В.Д. Садовский, Л.В. Смирнов и др.//Физика металлов и металловедение, 1978, Т.46, вып.2. с. 444-447.

73. Металловедение и термическая обработка стали. Справочник /Под ред. М.Л.Бернштейна.-М.: Металлургия, 1983, T.I, 352 с.

74. Блиновский В.А. и др. Объемное и напряженное состояние стали марки У8 после закалки в магнитном поле. //Автоматический контроль и управление качеством продукции в сельскохозяйственном машиностроении. Ростов-на-Дону. 1976. с.51-56.

75. Пустовойт В.Н. и др. Влияние исходной структуры чугуна на объемные и структурные изменения после закалки в магнитном поле. //Интенсификация и контроль технологических параметров в сельхозстроении. Ростов-на-Дону. РИСХМ, 1977. с. 29-33.

76. Тархунов Д.Н. и др. О природе повышения износостойкости деталей и инструмента магнитной обработкой. //Трение и износ, 1982, №2. с. 496-498.

77. Самок Г. С., Полетаев В.А. Упрочнение поверхностей деталей электронасосов комбинированным способом. //Прогрессивные технологии в Машино- и приборостроении. Сб. статей. Нижний Новгород - Арзамас: НГТУ — АФНГТУ. 203 е., с. 121-124.

78. Крагелъский и.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. -М.: Машиностроение., 1977, 525с.

79. Крагелъский И.В. Трение и износ., М.: Машиностроение, 1968. 480 с.

80. Крагелъский КВ., Михин Н.М. Узлы трения машин. М.: Машиностроение, 1984.

81. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1985. - 424 с. И.В. Крагельского. - М.: Машиностроение, 1968. - 403 с.

82. СамокГ.С., Полетаев В.А. Повышение долговечности деталей электронасосов путем нанесения специальных покрытий.// Физика, химия и механика три-босистем. Сб. трудов, вып.З. Иваново: ИвГУ. 2004, с. 120-122.

83. Самок Г.С., Полетаев В.А. Упрочнение деталей электронасосов путем нанесения покрытий на основе хрома и ультраалмазов. //Современная электротехнология в промышленности центра России. Сб. трудов. Тула, ТулГУ, 2003, с. 156-158.

84. Бернштейн M.JI. Структура деформированных металлов. М.: Металлургия, 1977.-430 с.

85. Лахтин Ю.М. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

86. Металлография железа. Том 1 ./Структура сталей (с атласом металлографии (с атласом микрофотографий)/: Перев. с англ. М.: Металлургия, 1972. - с.240.

87. Металлография железа. Том 2 /Структура сталей (с атласом микрофотографий)/: Перев. с англ. М.: Металлургия, 1972. - с. 284.

88. Полетаев В.А., Самок Г.С. Повышение долговечности деталей электронасосов комбинированными способами. /Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов. Материалы межд. конф. Воронеж: ВГТУ, 2005, с.

89. Самок Г.С., Полетаев В.А. Применение ультраалмазов в гальванических покрытиях на основе хрома для повышения износостойкости деталей. //Состояние и перспективы развития электротехнологии. Тезисы межд. конф. Иваново: ИГЭУ, 2003, - с. 129.

90. Самок Г.С., Полетаев В.А. Упрочнение деталей электронасосов комбинированными способами. //Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем. Материалы межд. конф. Саранск: МГУ, 2003, с. 42-45.