автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Повышение работоспособности черпаковой цепи дноуглубительных земснарядов на основе выбора материалов при изготовлении сменно-запасных деталей в судоремонте

На прдрах рукописи

Бессмертный Дмитрий Эдуардович

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЧЕРПАКОВОЙ ЦЕПИ ДНОУГЛУБИТЕЛЬНЫХ ЗЕМСНАРЯДОВ НА ОСНОВЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СМЕННО-ЗАПАСНЫХ ДЕТАЛЕЙ В СУДОРЕМОНТЕ

Специальность: 05.08.04 «Технология судостроения, судоремонта

и организация судостроительного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2006

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта»

Научный руководитель - доктор технических наук,

Юрий Иванович Матвеев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Вениамин Аркадьевич Скуднов

кандидат технических наук, Олег Константинович Зяблов

Ведущая организация - ОАО ЦКБ НПО «Судоремонт»

Защита диссертации состоится 2006 года в 15 часов на

заседании диссертационного Совета Д 223.001.02 при ФГОУ ВПО ВГАВТ по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а, аудитория 281.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО ВГАВТ.

Автореферат разослан апреля 2006 года

Ученый секретарь ^

диссертационного Совета //

доцент, к.т.н. С ^^^—Кеслер

¿ообА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Состояние водных путей во многом определяется эффективностью работы речного технического флота в навигационный период эксплуатации.

Суда технического флота (черпаковые земснаряды, землесосы и др.) выполняют всевозможные задачи - дноуглубительные работы на водных путях, создание новых судоходных трасс, строительство искусственных судоходных каналов для соединения рек, создание гидротехнических сооружений, намыв плотин, дамб и берегов рек, возведение насыпей, добыча песка, гравия и других минерально-строительных материалов, разработка подводных траншей при прокладке кабелей, магистральных газо- и нефтепроводов.

Использование потенциала внутренних водных путей является одним из эффективных направлений развития международного транспортного движения по территории России, в частности коридора «СЕВЕР-ЮГ». За счет использования судов смешанного плавания «река-море» осуществляются бесперевалочные перевозки грузов, а также развитие круизного пассажирского судоходства. Российские водные пути отнесены к VI-VII категориям европейской классификации, что требует выполнения большого объема дноуглубительных работ. Однако за последние 10 лет состав дноуглубительного флота России сократился в 1,5 раза, причем его состояние сильно изношено. Ремонтные простои в течение навигационного периода составляют до 20% рабочего времени и существенно снижают эффективность работы земснарядов. Проектирование и изготовление нового флота из-за длительности процесса и его высокой стоимости в настоящее время проблематично. Поэтому одной из основных задач, стоящей перед научными, проектными и эксплуатирующими организациями речного флота, является продление срока службы существующих дноуглубительных земснарядов. Для этого требуется развитие технологий судоремонта с применением материалов с высокими предельными характеристиками.

Целью работы является повышение долговечности деталей черпако-вой цепи дноуглубительных земснарядов, эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания, ударных и динамических нагрузок.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1 Анализ экспериментальных и теоретических работ по износостойкости сталей в разных структурных состояниях, анализ моделей и закономерностей абразивного изнашивания.

2 Анализ особенностей поведения хрупких и пластичных материалов при абразивном изнашивании.

3 Установление взаимосвязи износостойкости сталей с известными и новыми критериями разрушения.

, Г РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

■* БИБЛИОТЕКА

С.-Петербург ОЭ 20(|£акт ЬЯ-Ь

4 Разработка новых комплексных диаграмм структурно-энергетического состояния, позволяющих оперативно выбирать взаимозаменяемые материалы для деталей земснарядов

5 Разработка методики выбора эквивалентных состояний материалов и взаимозаменяемых технологий, основанной на применении характеристик предельного состояния материалов.

6 Установление области применения упрочняющих технологий по новым диаграммам состояния материалов, разработка алгоритма применения методики для разработки взаимозаменяемых технологий изготовления деталей.

7 На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать и внедрить ресурсосберегающие технологии в судоремонтном производстве.

Объект исследований - сменно-запасные детали многочерпаковых земснарядов, эксплуатирующиеся в условиях повышенного абразивного изнашивания (детали черпаковой цепи - пальцы, втулки, черпаки, скаты и пр.).

Методы исследования - аналитические, основанные на анализе современных представлений о природе пластической деформации и разрушения материалов, а также моделей изнашивания.

Научная новизна работы сводится к следующему:

1 Установлены особенности абразивного изнашивания хрупких и пластичных материалов в связи с особенностями поведения их предельных характеристик в зависимости от объемного напряженного состояния сжатия и сдвига, имеющих место при изнашивании.

2 Установлены обобщенные закономерности абразивной износостойкости металлических материалов (сталей) в зависимости от физических, технологических, эксплуатационных и прочих факторов, при этом использованы новые синергетические критерии разрушения, необходимые для сравнения интенсивности изнашивания различных материалов.

3 Обоснована и разработана новая комплексная методика оценки и выбора взаимозаменяемых структурно-энергетических состояний металлических сплавов, технологий, обеспечивающая эквивалентную или повышенную износостойкость деталей, эксплуатируемых в условиях абразивного износа.

4 Предложены новые диаграммы структурно-энергетического состояния материалов в системе координат «энергоемкость (предельная удельная энергия деформации при растяжении)- относительная твердость»; новые методы анализа и получения эквивалентных (взаимозаменяемых) состояний материалов и технологий.

Практическая ценность работы:

1 Предложена новая комплексная методика оценки и выбора эквивалентных, взаимозаменяемых состояний, материалов и технологий, необходимых при изготовлении сменно-запасных деталей земснарядов, включающая:

-диаграммы структурно-энергетического состояния сталей, которые используются для определения допустимых и оптимальных значений и интервалов энергоемкости и твердости при выборе материалов и разработке технологии изготовления деталей;

- примеры диаграмм для хрупких и пластичных материалов (чугуны, 110Г13Л, графитизированные и конструкционные стали), в широких диапазонах изменений твердости и энергоемкости, позволяющие оперативно выбирать материалы при изготовлении сменно-запасных деталей;

- примеры обоснованного выбора требуемых взаимозаменяемых состояний базовых марок сталей для конкретных изнашивающихся деталей черпаковой цепи;

- значения новых критериев разрушения, которые количественно выражают развитие процесса разрушения (изнашивания) металлов, позволяют показать роль структуры сталей (величины зерна, дисперсность вторых фаз, плотность дефектов и т.д.) после различных режимов термообработки.

2 Определены предельные значения и диапазоны изменения твердости и энергоемкости для распространенных сталей после различных видов и режимов термической и других упрочняющих обработок, позволяющие оперативно сравнивать и выбирать взаимозаменяемые состояния, материалы и упрочняющие технологии.

3 Разработаны технологии изготовления деталей черпаковой цепи, которые обеспечивают эквивалентную или повышенную износостойкость сменно-запасных деталей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Методика оценки структурно-энергетических состояний материалов и износостойкости деталей с помощью стандартных механических свойств и эквивалентных предельных характеристик металлов - предельной удельной энергии деформации (энергоемкости), относительной твердости, критериев разрушения - критерия зарождения трещин, распространения трещин, чувствительности механических свойств и предельных характеристик к напряженному состоянию.

2 Установление обобщенных закономерностей износа материалов в зависимости от физических, механических, технологических и других факторов.

3 Диаграммы предельного состояния сталей для назначения эквивалентных взаимозаменяемых технологий изготовления деталей, выбора оптимальных состояний и марок сталей.

Достоверность результатов диссертационного исследования подтверждена продолжительными натурными испытаниями опытных деталей на черпаковых дноуглубительных земснарядах и обеспечением уровня механических свойств, определяющих долговечность, соответствующих требованиям стандартов.

Апробация работы. Полученные теоретические и практические результаты обсуждались на II Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2000 г.), Международном научно-промышленном форуме «Великие реки-2005» (Нижний Новгород, 2005 г.), Научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов ВГАВТ (Нижний Новгород, 2005 г.)

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 2 приложений. Основной текст диссертации изложен на 163 с машинописного текста, в том числе 49 рисунков и 15 таблиц. Список библиографических источников включает 122 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована аюуальность работы, показана её научная новизна, практическая значимость, сформулированы цель и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы рассматривается современное состояние условий эксплуатации, работоспособности, ремонта дноуглубительных земснарядов и проблемы, связанные с повышением долговечности деталей черпаковой цепи.

Проблемам повышения экономичности, производительности, надежности эксплуатации и ремонта дноуглубительных земснарядов посвящены научные труды Аристова Ю.К., Иванова В.А., Краковского И.И., Лукина Н.В., Старикова A.C., Погодаева Л.И., Чуракова В.В. и др.

Многие вопросы теории и практики, связанные с повышением работоспособности деталей, работающих в условиях повышенного абразивного изнашивания рассмотрены в работах Бабичева М.А., Брауна Э.Д., Дроздова Ю.Н., Кра-гельского И.В., Хрущова М.М., Чичинацзе A.B.

На основании анализа условий эксплуатации и статистических данных (результатов дефектации деталей черпаковой цепи различных типов земснарядов) установлено, что детали (пальцы, втулки, полозья черпаков, звенья цепи, грани верхнего и нижнего барабанов, режущие кромки черпаков) подвержены интенсивному абразивному изнашиванию, воздействию динамических и ударных нагрузок, сложным механическим условиям нагружения; глубина износа рабочих поверхностей может достигать более 10 мм; по причине повышенного износа пальцев наблюдались случаи обрыва черпаковой цепи.

Наиболее изнашиваемые детали (пальцы, втулки) черпаковой цепи изготавливаются из стали Гатфильда (110Г13). Однако по целому ряду причин (нет своевременной поставки, отсутствие технологического оборудова-

ния, высокая стоимость материала и пр.) предприятиям бассейновых управлений пути приходится искать альтернативные материалы для изготовления сменно-запасных деталей. В работе отмечено, что ресурс деталей черпако-вой цепи из штатных материалов в настоящее время значительно ниже нормативных значений и в большинстве случаев не превышает 3 ООО ч.

В работе всесторонне рассмотрены способы и мероприятия по повышению работоспособности деталей черпаковой цепи земснарядов (таблица 1).

Таблица 1 - Основные пути повышения работоспособности деталей черпаковой цепи земснарядов

Вид изнашивания Способ устранения износа Пути повышения работоспособное™

Схватывание металлов Правильный подбор материалов для деталей трения Применение разнородных материалов; Упрочнение трущихся деталей; Улучшение технологии изготовления

Уменьшение удельных давлений Повышение чистоты поверхности; Повышение точности сборки; Увеличение площади контакта (конструктивные меры)

Применение смазки Изменение конструкции

Абразивный износ Увеличение твердости рабочих поверхностей трущихся деталей Химико-термическая обработка; Термическая обработка; Применение наплавочных материалов

Уменьшение зазора в сопряжении Увеличение точности сборки

Зашита зазора от проникновения абразивных частиц Изменение конструкции (защитные планки, палец без головки)

На основании проведенного обзора даны следующие основные пути повышения ресурса деталей черпаковой цепи - правильный подбор материалов для трущихся деталей; уменьшение удельных нагрузок; применение смазки; оптимальное сочетание твердости и пластичности поверхностных рабочих слоев материалов; уменьшение зазора сопрягаемых деталей; защита трущихся поверхностей от проникновения абразивных частиц.

В работе показано, что существует большое количество методов ремонта и способов упрочнения деталей черпаковой цепи земснарядов, однако до сих пор нет надежных технических решений в области повышения качества и способов упрочнения материала при изготовлении сменно-запасных деталей в судоремонтном производстве.

Исходя из этого, были сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе дан теоретический анализ закономерностей абразивного изнашивания материалов деталей черпаковой цепи земснарядов на основе экспериментальных исследований.

Закономерности поведения механических свойств и характеристик предельного состояния металлов и сплавов в зависимости от силовых, временных, энергетических и повреждающих факторов рассмотрены в работах Бетехтина В.И., Давыденкова H.H., Журкова С.Н., Ивановой B.C., Одинга И.А., Скуднова В.А., Фридмана Я.Б. и многих других ученых и исследователей.

В работе приводятся закономерности абразивного изнашивания материалов по главному признаку - виду трения: трение скольжения; трение качения; соударение металла с абразивом. Механизм абразивного изнашивания при скольжении поверхности по абразиву имеет общие черты для всех рассмотренных случаев и характеризуется развитием деформационных процессов в контакте и наличием двух этапов :первый связан с внедрением абразива в поверхностный слой металла на определенную глубину, а второй - поступательным перемещением внедренной частицы, сопровождающийся съемом металла с рабочей поверхности. При этом воздействие частиц на поверхность металла может сопровождаться упругой и пластической деформацией очагов разрушения.

Форма и размеры частиц износа зависит от свойств и структуры поверхностных слоев металла. Образующиеся риски на изнашиваемой поверхности имеют двоякое происхождение - либо образуются в результате вытеснения металла в отвалы при пластическом деформировании, либо от среза в виде стружки, когда металл твердый и малопластичный. Вытеснение металла в отвалы (первый этап разрушения пластичных материалов абразивом), сопровождается вторичным передеформированием. Интенсивность изнашивания определяется соотношением прочностных характеристик абразива и металла - чем оно выше, тем больше износ. В работе показано, что наибольшую износостойкость имеют металлы с более высокими значениями твердости, модуля упругости, температуры плавления и низкими значениями физических характеристик - коэффициента линейного расширения, теплопроводности и пр., то есть износостойкость материалов при взаимодействии с абразивом обусловлена комплексом физико-механических свойств. Показано, что с повышением твердости, износостойкость всех металлов (сплавов) возрастает, но при равной твердости, их относительная износостойкость может отличаться до 5 раз.

Природа абразивного изнашивания является сложной. Экспериментальные данные многочисленны и зачастую противоречивы, в основном учитывают влияние на величину износа только отдельных механических характеристик (твердость, прочность и т. д.). В то же время, абразивные частицы при внедрении и движении по поверхности создают более слож-

ное силовое нагружение, чем при измерении твердости, прочности, пластичности и пр. Поэтому сопротивление движению частицы по изнашиваемой поверхности не может определяться только этими характеристиками.

В работе приводятся теоретические исследования физической природы разрушения и абразивного изнашивания поверхностных слоев деталей черпаковой цепи с позиций механических, энергетических и синергетиче-ских представлений. Во время работы детали земснарядов подвержены ряду воздействий, которые приводят к изменению их работоспособности, причем первичные изменения всегда начинаются в структуре и проявляются в свойствах материала.

Одной из важнейших характеристик материала, противостоящей воздействиям, является энергоемкость - предельная удельная энергия деформации IVс. Установлено, что от ее уровня зависят явления в поведении материалов, в том числе износ, усталостное разрушение, зарождение и распространение трещин, кинетика разрушения, работоспособность материала. В то же время величина ]¥с зависит от многих факторов, но в большей степени от напряженного состоянии материала. При испытаниях на растяжение \УС определяется по формуле:

1Гс-0,5-(ат + ^Н"ре", (!)

где ат - предел текучести;

Б/, - истинное сопротивление разрушению; епред _ Предельная деформация до разрушения

При внедрении индентора 1¥с пропорциональна твердости.

При переходе от пластичного материала к хрупкому, при растяжении снижается, а при вдавливании индентора - повышается. Хрупкие материалы более чувствительны к напряженному состоянию, чем пластичные. Это важно учитывать при выборе материалов и оценке износостойкости.

Закономерности повреждения и изнашивания материалов необходимо рассматривать на микроскопическом уровне.

Установлено, что поведение хрупких и пластичных материалов при наступлении предельного состояния, оцененное с помощью критериев разрушения с позиций линейной механики, синергетики, энергоемкости имеет подобное проявление и при абразивном изнашивании металлов.

Поэтому изнашивание различных материалов можно рассматривать с общих позиций разрушения, например, при достижении предельных (критических) величин деформаций, степени разрыхления и релаксации внутренних напряжений твердых тел. На основании теоретических исследований и анализа законов поведения металлов в напряженном состоянии были разработаны и предложены критерии разрушения, удобные для оценки работоспособности (износостойкости) металлических материалов:

Критерий зарождения трещин Кш или критерий раскрытия трещины 5С, количественно определяющий способность материала сопротивляться возникновению трещин при деформации, равен:

IV

Кзт=^ = Зс. (2)

<*т

Чем выще значения Кт, тем труднее зарождаются трещины. Чем выше твердость и IVс при объемном сжатии, тем выше Кш, тем выше износостойкость.

Критерий распространения трещин Крт, количественно определяющий способность материала сопротивляться свободному движению трещин при деформации в условиях достижения критического напряженного состояния, равен

Крт = К1с(Тт или Крт = Шскр(Тт . (3)

Чем выше Крт, тем труднее в материале распространяются трещины.

Величина К,с пропорциональна где №скр - критическая величина предельной удельной энергии деформации перед вершиной трещины, определяется при критическом напряженном состоянии (трехосном растяжении), когда энергия деформации, затрачиваемая на пластическую деформацию, равна энергии, идущей на упругое искажение объема. Согласно анализу многочисленных экспериментальных данных, для сталей величина я (0,5...0,75)1УС. Она выбирается в месте перегиба диаграммы предельной пластичности при критическом напряженном состоянии, равном 2,41 при коэффициенте Пуассона сплавов железа 0,28. Размерность критерия Крт - (МДж/м3)МПа, или (МДж/м3)2-106.

Критерий хрупкости Кхр, количественно раскрывает понятие «хрупкость» по соотношению предыдущих критериев:

к2

К = рт (4)

■ч> ¡¡г _ • лэт°т

Чем выше К^, тем сильнее критерий распространения трещины превышает критерий зарождения трещин, тем лучше металл противостоит хрупкости. Кхр имеет размерность (МДж/м3)3-109.

Критерий масштаба Ки (величина безразмерная) учитывает влияние размера детали по отношению к размеру образца, оценивает чувствительность материала к масштабу изделия по соотношению упругих констант (ехх - упругие константы) материала к комплексу хрупкости (Кхр)

, 4с)2 _ ек1 .

Ему - модуль Юнга и коэффициент Пуассона материала.

Поскольку упругие модули £ и V являются структурно-нечувствительными величинами, то в практических расчетах для всех сталей их можно принимать равными Е = 210109 Па, V = 0,28, соответственно, а величину (И/с4')2 вычислять из соотношения 1¥с*р ~ (0,5..,0,75)1¥с. Величина IV^ определяется технологической дефектностью и может уточняться повторными расчетами и экспериментами, определяет уровни новых синергетиче-ских критериев разрушения и работоспособности изделий.

В работе показана связь предельных характеристик металлов (предела текучести ат, сопротивления разрушению сгк, предельной деформации до разрушения ¿чжд, плотности р, предела усталости сг,), установленная В.А. Скудновым, с их параметрами состояния:

о* = о*0е

ИН 2 \-еаПЕ Уг

№

-2 е°"Ет

(с"*"-*,)

(6) (7)

1п

НВ 2)-еаП-Ъ-'

Р = Ро ехР

еаП

7*

[епред -еу);

(8)

(9)

где

К„М

2 \е - 1п

у РХ /

\епред-еу) ■ степень разрыхления металла, равная:

(10)

Д) - исходная плотность металла;

Ур - отношение скоростей релаксации внутренних напряжений ~\Г и нагружения (деформации);

аП - произведение коэффициента формы очага разрушения (а)

на показатель напряженного состояния в нем (/7);

НВ - твердость по Бринеллю;

Еу - упругая деформация;

Кц - коэффициент формы цикла;

N - число циклов нагружения.

Рассматривая комплексные условия разрушения в какой либо момент деформации или абразивного изнашивания, момент повреждения структуры должен соответствовать условию:

'тО

&кО

что дает решение уравнений (6) и (7):

И-4

А^Ч*-1

НВ

Ре

-2 + — Уь

= 0.

(12)

Рассмотрим равенство нулю каждого множителя уравнения (12):

(13)

Данные выражения означают, что разрушение структуры наступает в момент равенства накопленной предельной деформация в локальном месте предельному уровню упругого искажения формы. Поскольку

еу = Ыреу{х),

(И)

где

7Ур - число мест разрушения в структуру локального объема; - локальная упругая деформация единичной связи в месте разрушения,

то, подставив уравнение (13) в уравнение (14), получим выражение числа мест разрушения

пред

N

МО

(15)

При значении = 10"6 и = 0,01 (1%), тело хрупкое, число мест разрушения составит 108. Если деформация при изнашивании составляет (5... 10)%, тело пластично, и число мест разрушения составит (0,5... 1 )• 109.

еаПЕрх-1 = 0; <16>

е

Выражение (16) означает, что при сдвиговой природе пластической деформации, когда П= 0, ехр(а/7)=1, степень разрыхления может быть принята за базовую, Ерх = Ерхсдв=: 1; тогда при других напряженных состояниях степень разрыхления структуры металлов будут выражаться условием

(17)

и может снижаться при «жестких» схемах растяжения при Я > 0 или повышаться при «мягких» схемах сжатия при Я < 0.

НВ „ V НВ „ V

ат Уд <*т Уд

Формулы (18) означают, что в месте локального разрушения повышение твердости от упрочнения компенсируется процессом релаксации (снижения) напряжений.

На основании анализа моделей абразивного изнашивания (термодинамическая, синергетическая, структурно-энергетическая, кинетическая) были получены обобщенные закономерности абразивного изнашивания. За основу была взята кинетическая модель, сформулированная С.Н. Журковым, как наиболее близкая к оценке износостойкости металлов. Основное соотношение модели записывается следующим образом:

Ётр= const. (19)

где £ - скорость пластической деформации; тр - время до разрушения.

Очевидно, что это произведение пропорционально предельной деформации ¿^(П) при произвольном напряженном состоянии Я, например, при растяжении - это показатели пластичности: удлинение 8, сужение у/и т.д., т.е. можно записать:

к-Т = const! • е пред (я)= constг8 = constъу/, (20)

где f _ время процесса разрушения, зависящее от

тр=то'ехй J нормальных напряжений а, температуры Т, т0 - постоянная;

(U(тсввУ\ ~ скорость пластической деформации, зави-Е = Е0- expl — I сящая от касательных напряжений хсдв, температуры Г, ¿о - постоянная.

Поскольку материалы различаются исходным разрыхлением (дефектностью), то уравнение (20) можно представить в виде

const4 ■ Ерх • епред(п), (21)

где Ерх - степень разрыхления структуры металла.

Левая и правая части уравнений (20) и (21) - безразмерные.

Представим (21) в виде уравнения износостойкости, т. е. времени до разрушения структуры при данном напряженном состоянии, приходящегося на единицу деформации (или единицы массы металла)

т Е

Ис --S—т = const4 ~. (22)

е"ред(п) Е }

Используя выражение (1), запишем уравнение (22) в виде

Ис = I(am + = ^~-к-НВ = const4 ^, (23)

где величина i(am +Sk)= к-НВ пропорциональна твердости материала,

к= (0,60...0,7) - коэффициент пропорциональности.

Проанализируем левую и правую части уравнения (23) раздельно.

Из анализа левой части можно получить следующие закономерности износостойкости материалов:

1) износостойкость в зависимости от твердости выражается уравнением прямой у-ах, в котором у = Ис,х = НВ, а = k(Tp/Wc) - угловой коэффициент прямой;

2) износостойкость материала тем выше, чем выше твердость, предел текучести, предел прочности, сопротивления сдвигу;

3) при одинаковой твердости материалов, интенсивность изменения износостойкости в зависимости от различных факторов прямо пропорционально зависит от величины углового коэффициента а - чем он выше, тем выше интенсивность изменения износостойкости, и обратно пропорционально - от величины энергоемкости материала Wc при растяжении;

4) соотношение износостойкости двух материалов при одинаковой твердости НВ1 - НВ2 будет обратно пропорционально соотношению их энергоемкостей, то есть:

Лс2 «2 К, / Кг Трг К, Следовательно, при равенстве НВ\ = НВ2 и при равенстве 1¥с1 = IVс2 величины износостойкости обоих материалов будут равны (эквивалентны) и пропорциональны соотношению их долговечности тр,1тр1\

5) поскольку выбор эквивалентных состояний необходим для обеспечения выбора материалов при изготовлении деталей, то для этого необходимо иметь диаграммы эквивалентных структурно-энергетических состояний различных металлических сплавов, представленные в координатах ]ус - нв.

В третьей главе разработана методика оценки и выбора материалов при изготовлении сменно-запасных деталей черпаковой цепи земснарядов с высокими прочностными и противоизностными характеристиками. Методика включает следующие разделы:

1) Выбор показателей эквивалентных структурно-энергетических состояний металлических материалов. В качестве показателей были приняты: -коэффициент твердости Кш, равный отношению твердости металлического сплава к твердости основы сплава;

- структурно-энергетический показатель состояния (относительная твердость):

НИ

Псэс - —~ - 2, (25)

где НВст — твердость сплава;

сг„ - предел текучести металла - основы сплава, например, у технического железа ат = 300 МПа. Этот показатель отражает уровень внутреннего напряженного состояния сплава по отношению к уровню структурно-энергетического состояния основы и может изменяться от 1 до 30 и более раз. Псх является единой, гомологической шкалой для всех сплавов;

- механический показатель напряженного состояния:

„ , <т, + сг2 + сг,

Яи=±_!-1-1, (2б)

ат

где огь <х2, оз - приложенные напряжения, имеют знак «плюс» для напряжений растяжения, «минус» - для напряжений сжатия; о;,, = 2- гсдв - предел текучести. Введение /7„ обосновано тем, что внутреннее напряженное состояние в металлах может создаваться не только изменениями структуры, но и способом нагрузки (кручение, растяжение, изгиб, сжатие и т. д.), наложением гидростатических давлений, а также концентраторами напряжений

за счет надрезов, выточек, перепадов сечений, толщины стенок в геометрии деталей, создающих линейное, плоское и объемное напряженное состояние, то в отличие от показателя Псх величина /7„ изменяющегося в общем случае от -оо до +оо (практически от -5 до +5).

Общее значение показателя напряженного состояния тела равно П<ю1ц Лсх'17л1.

2) Построение диаграмм структурно-энергетического состояния в координатах «Предельная удельная энергия деформации - относительная твердость Псж». В работе значения величин Шс и Псх рассчитывались для разных сталей после различной термической обработки. По этим данным построена диаграмма структурно-энергетического состояния для 10 классов сталей, которую при необходим можно дополнить другими металлическими материалами.

По построенной диаграмме можно оперативно определить эквивалентные состояния различных металлических материалов.

3) Построение диаграммы связи предельных механических характеристик (сопротивления разрушению, предела текучести и прочности, предельной деформации до разрушения, предельной удельной энергии деформации, объема очага деформации от показателей напряженного состояния).

4) Определение комплексов (критериев) разрушения металлических материалов, с помощью которых можно полнее оценить состояние сплавов после соответствующей упрочняющей обработки и сравнить их между собой.

5) Алгоритм использования диаграмм предельного состояния и критериев разрушения дня оценки и выбора материалов с высокой стойкостью к абразивному изнашиванию и воздействию динамических нагрузок.

В обобщенном виде алгоритм включает выполнение следующих этапов работ:

- выбрать деталь, определить марку стали, вид термообработки, механические свойства;

- рассчитать для материала этой детали значения Шс и Псзс, критериев разрушения, значения износостойкости;

- нанести на готовую диаграмму Щ. - Псх данного класса сталей значения Шс и Псж, материала этой детали;

-из диаграммы предельного состояния найти взаимозаменяемую марку стали (или несколько) с близкими значениями энергоемкости и относительной твердости;

-определить виды термической, химики-термической или пластической упрочняющей обработки для данных сталей, найти соответствующие им механические свойства;

- рассчитать значения энергоемкости У/с и относительной твердости Псж, сравнить критерии разрушения и износостойкость взаимозаменяемых марок сталей;

- нанести на готовую диаграмму предельного состояния значения \¥с и Псж выбранных сталей;

- уточнить марку выбранной стали;

- при необходимости откорректировать режим термообработки с целью получения новых значений №с и критериев разрушения, которые обеспечивают эквивалентные значения износостойкости;

- разработать технологию изготовления, восстановления деталей, выпустить техническую документацию.

В четвертой главе рассматривается практическое применение разработанной методики для выбора материалов при изготовлении сменно-запасных деталей черпаковой цепи земснарядов с целью повышения их долговечности. Рассчитаны значения энергоемкости и критериев разрушения для сталей различных классов и их диапазоны после различных термических обработок (таблица 2).

Таблица 2 - Предельный диапазон значений энергоемкости, твердости и критериев разрушения металлических материалов (отжиг, нормализация, закалка и отпуск при разных температурах)

№ п/ п Название класса Энерше мкосгь (Ус, ЦДж/м5 Твердость ЯВ,МПа Ц-шп А>10-5, (МДж/м3); V 10й, (МД*/м')'

1 Коррозионно-стойкие, ферритно-аустенитные стали (КФАС) 29-460 1500-3500 0,1-0,7 ОД-И 4-61

2 Аустенитные метастабиль-ные (А-МС) 50-800 1600-2500 0,46-2,8 0.4-7 24-882

3 Аустенитно-ферритные (А-Ф) 200-760 1300-2100 1,2-3,3 0,3-2 14-52

4 АуСтенитно-мартенситные (А-М) 200-1080 1370-3700 0,46-2,75 0,4-6,8 8437

5 Аустенитные (А) 170-600 1600-2650 0<б-3 03-13 4,7-62

6 Ферритные (Ф) 300-1050 1400-1500 13-3,1 0,87-2,7 193-683

7 Перлитио-мартенситные (П-М) 300-1200 30004050 0,4-0,96 2^-53 1974116

8 Перлитные (П) 300-1300 2000-2700 0,5-2 1-9 33-89

9 Мартенситные (М) 350-1600 1850-5150 0,25-1,8 19,647,8 65-2406

10 Мартенситно-ферритные (М-Ф) 700-1130 2000-2500 0,9-1£ 336 117-365

11 Мартенситно-стареющие (М-Ст) 700-1700 30006500 0,79 26 411

12 Ковкие чугуны (КЧ) 143-36,7 1000-2700 0,0«), 15 0,02-0,07 0.16-1,1

13 Марганцовистая сталь 110Г13Л 158-431 2010-3090 0,32-0,77 039-2,2 223-115

14 Графитизираванные стали (1,3-1,65) %С 57-104,6 1755-2317 0,14-0,23 0,16034 4,8-13,7

Показано, что в зависимости от режима термической (химико-термической) обработки, а также условий эксплуатации, предельные характеристики материалов могут существенно изменяться.

Рассмотрена и даны оценка состояния различных материалов (более 50 марок сталей и чугунов) по механическим, предельным характеристикам и критериям разрушения. Приведенные результаты расчетов подтверждают установленные во 2 главе работы связи износостойкости с показателями твердости, энергоемкости, комплексными показателями предельного состояния металлических материалов. Один из таких примеров приведен ниже:

Сталь Р18 95X18 XI2М 45 40Х Д7

иле 50 50 50 50 50 50

1¥с, МДж/м3 0,05 0,15 25 108 132 971

ис 3,2 2,4 1,15 0,98 0,73 0,8

В работе приведена практическая реализация результатов исследований в судоремонте при изготовлении сменно-запасных деталей.

Серийные пальцы, отработали 4 500 ч

Палец новой конструкции, отработал 5 ООО ч

Восстановленный серийный палец плазменной наплавкой, отработал 8 500 ч

Палец новой конструкции, отработал 10 000 ч

Рисунок 1

Наибольшему износу деталей звеньев черпаковой цепи дноуглубительных земснарядов, как это было уже отмечено ранее, подвержены пальцы. Традиционным материалом для их изготовления является сталь 110Г13. Известно, что эта сталь очень трудно обрабатывается лезвийным инструментом, относится к достаточно дефицитным и дорогостоящим материалам. В настоящее время в Волжском регионе находятся в эксплуатации пять черпаковых дноуглубительных земснарядов. Во время выполнения судоремонтных работ ежегодно по причине изнашивания приходится заменять и устанавливать около 300 новых пальцев звеньев черпаковой цепи (4 500 кг материала). Исходя из экономичности, дефицитности, износостойкости, а также условий изготовления по разработанной методике была выбрана марка стали 20Х и технологический режим термической обработки с целью замены штатного материала 110Г13 (рисунок 1). Укрупненных технологический процесс изготовления экспериментальных пальцев включает выполнение следующих операций - заготовительная (заготовки получают из круглого проката); токарная; химико-термическая (цементация и последующая закалка с низким отпуском); контрольная. Данная технология достаточно проста, не требует сложного оборудования и больших производственных площадей. При этом пальцы новой конструкции более технологичны при сборке черпаковой цепи, а также при восстановлении рабочих поверхностей методами наплавки (рисунок 2).

3500 3000

£ 2500

о.

а

I 2000

с

л

с

ё 1500

о

X

х

£ 1000 500 0

2001 2002 2003 2004 2005 2005 (сталь

20Х)

Годы

Рисунок 2 - Стоимость изготовления серийных и экспериментальных пальцев звеньев черпаковой цепи

Опытные детали, которыми был укомплектован земснаряд «Профессор Лукин» отработали более 10 ООО ч, их износостойкость в 2,2 раза превышала штатные (серийные) детали.

В 2005 г. данная технология была принята в промышленное внедрение в Волжском ГБУ.

Для других деталей сочленения черпаковой цепи земснарядов (черпаки, скаты, звенья, барабаны) даны практические рекомендации по выбору материалов покрытий при выполнении судоремонтных работ с целью их восстановления и повышения работоспособности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1 Решена важная научно-техническая задача совершенствования технологий изготовления быстроизнашивающихся деталей многочерпаковых дноуглубительных земснарядов на основе разработки комплексной методики выбора взаимозаменяемых материалов, взаимозаменяемых упрочняющих технологий с использованием характеристик предельного состояния металлов.

2 Обоснованы координаты «относительная твердость - предельная удельная энергия деформация (энергоемкость)» и построена диаграмма предельного состояния металлических сплавов, которая позволяет оперативно выбирать эквивалентные состояния, материалы и технологии изготовления, обеспечивающие повышенную износостойкость деталей земснарядов.

3 Предложены комплексные сочетания критериев износостойкости взаимозаменяемых металлических сплавов в виде показателей твердости, предельной энергоемкости (вязкости разрушения), критерия зарождения трещин, критерия распространения трещин, критерия хрупкости, критерия масштаба, показателя чувствительности предельной пластичности материалов к изменению напряженного состояния, позволяющие рассчитывать эквивалентные структурно-энергетические состояния разных сталей для деталей земснарядов.

4 Установлены закономерности изменения параметра износостойкости в условиях абразивного и ударного изнашивания величинами предельной энергоемкости (вязкости разрушения) и критерия зарождения трещин, позволяющие прогнозировать показатели работоспособности и долговечности деталей из разных сплавов при одинаковых значениях их твердости.

5 Предложена адекватная модель связи износостойкости с соотношением твердости пар трения, соотношением рабочих нагрузок на деталь и

предела прочности (или твердости) материала, критерия зарождения трещин, отражающая объективную картину процесса износа материалов.

6 Разработана методика оперативной оценки и выбора металлических материалов при изготовлении сменно-запасных деталей черпаковой цепи дноуглубительных земснарядов с высокими противоизностными характеристиками.

7 Для восстанавливаемых и изготавливаемых деталей многочерпако-вых земснарядов выбраны взаимозаменяемые материалы; виды термической обработки и химико-термической обработок.

8 Показана экономическая эффективность при внедрении технических решений в бассейне Волжского региона, выражающаяся в экономии материально-технических средств в 1-2 млн. рублей в год.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1 Матвеев Ю.И., Бессмертный Д.Э. Критерии, модели и закономерности абразивного изнашивания деталей земснарядов // Трение, изнашивание, смазка, 2005. - № 6. - С. 57-58.

2 Бессмертный Д.Э. Обоснование экономически целесообразных путей модернизации технологического оборудования существующих много-черпаковых земснарядов / Материалы научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов. Юбилейный выпуск. Часть II. - Н. Новгород, 2005. - С. 172-175.

3 Бессмертный Д.Э. Исследование экономичного режима работы энергетического и технологического оборудования много черпакового земснаряда проекта Р 36 в процессе дноуглубления / Материалы научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов. Юбилейный выпуск. Часть II. - Н. Новгород, 2005.-С. 170-171.

4 Дерлугян И.Д., Бессмертный Д.Э. Антифрикционные материалы на основе углеродных волокон для эксплуатации в воде / Юбилейный сборник научных трудов Южно-Российского государственного технического университета. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 1999. - С. 162.

5 Липатов И.В., Бессмертный Д.Э. Исследование циклопрочностного ресурса резьбового соединения штока ворот Балаковского шлюза / Тезисы докладов II Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве». Часть V. -Н. Новгород: НГТУ, 2000. - С. 18

6 Каляев А.Г., Бессмертный Д.Э. Использование технологий отработки прочности ракетно-космической техники для обеспечения ресурса и

безопасности функционирования металлоконструкций напорных гидротехнических сооружений Волжского бассейна / Труды ВГАВТ. Выпуск 297. - Н. Новгород, 2001. - С. 88.

7 Бессмертный Д.Э. Основные направления по совершенствованию существующих и созданию новых многочерпаковых дноуглубительных земснарядов на перспективу до 2015 г. / Международный научно-промышленный форум «Великие реки-2005». Тезисы докладов. Том. 1 -Н.Новгород: ННГАСУ, 2005. - С. 302-303.

8 Матвеев Ю.И., Бессмертный Д.Э. Эффективность использования дноуглубительного флота на водном транспорте / Международный научно-промышленный форум «Великие реки-2005». Тезисы докладов. Том. 1 -Н.Новгород: ННГАСУ, 2005. - С. 313-314.

9 Матвеев Ю.И., Ефремов С.Ю., Бессмертный Д.Э. Анализ физических моделей взаимодействия поверхностей в условиях трения / Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Выпуск 13. Судовая и промышленная энергетика. - Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2005. - С. 106-111.

Формат бумаги 60x84 У(6. Бумага писчая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Заказ 325. Тираж 100.

Отпечатано в типографии издательско-полиграфического комплекса ФГОУ ВПО ВГАВТ 603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5 а

¿(206А

Р- 96 53

Введение.

1. Современное состояние, условия эксплуатации, работоспособность и ремонт дноуглубительных земснарядов.

1.1 Особенности работы дноуглубительных земснарядов.

1.2 Многовариантность технологий ремонта многочерпаковых земснарядов.

1.2.1 Объекты повышенного износа деталей черпаковой цепи.

1.2.2 Применяемые приемы и методы ремонта.

1.3 Основные направления повышения износостойкости материалов, деталей и узлов черпаковой цепи земснарядов.

1.3.1 Повышение твердости рабочих поверхностей.

1.3.2 Сочетание твердости и пластичности материалов.

1.3.3 Выбор марок сталей в сочетании с видами и режимами термической и химико-термической обработки.

1.3.4 Технологии упрочнения рабочих поверхностей.

1.3.5 Изменение конструкции изнашивающихся деталей.

1.3.6 Влияние качества ремонта и сборки черпаковой цепи.

1.4 Выводы по 1 главе.

2. Теоретический Анализ закономерностей абразивного изнашивания деталей как основа для выбора эквивалентных состояний.

2.1 Общие аспекты абразивного изнашивания материалов.

2.2 Характер взаимодействия рабочих поверхностей деталей с абразивной частицей.

2.3 Влияние условий эксплуатации на характер и величину износа при абразивном изнашивании.

2.4 Взаимосвязь механических свойств с износостойкостью при абразивном изнашивании.

2.5 Разновидности абразивного изнашивания деталей машин.

2.5.1 Удар по абразиву.

2.5.2 Качение по абразиву.

2.6 Энергетическая и синергетическая природа разрушения (изнашивания).

2.7 Классификация отказов и их последствия.

2.7.1 Основные виды отказов.

2.7.2 Структурные уровни изучения отказов.

2.8 Законы состояния хрупких и пластичных металличческих ® материалов и критерии оценки их разрушения и абразивного изнашивания.

2.8.1 Хрупкое разрушение, критерии и механизмы разрушения.

2.8.2 Критерий Гриффитса.

2.8.3 Влияние напряженного состояния на критерии хрупкости.

2.8.4 Влияние напряженного состояния на поведение предельной пластичности и сопротивления разрушению металлов.

2.8.5 Вязкое разрушение, механизмы и критерии его оценки.

2.9 Законы поведения металлов, условия и характер их проявления при разрушении и абразивном изнашивании.

2.9.1 Кинетические уравнения процессов.

2.9.2 Критерии механики разрушения.

2.9.3 Синергетические критерии разрушения.

2.9.4 Критерии метода царапания.

2.10 Влияние поверхностного слоя на работоспособность деталей при абразивном изнашивании.

2.11 Временные характеристики для оценки поведения металлов.

2.11.1 Связь предельных характеристик металлов с силовыми, временными, структурно-энергетическими и энергетическими параметрами состояния деталей.

2.11.2 Комплексные условия разрушения металлов при нагрузке (деформации).

2.12 Анализ моделей абразивного изнашивания.

2.12.1 Термодинамическая модель.

2.12.2 Синергетическая модель.

2.12.3 Структурно-энергетическая модель.

2.12.4 Кинетическая модель.

2.12.5 Обобщенные закономерности износостойкости металлов.

2.13 Выводы по главе 2.

3. Методика оценки и выбора материалов при изготовлении быстроизнашивающихся деталей машин (типа многочерпаковых земснарядов).

3.1 Выбор показателей эквивалентных структурноэнергетических состояний.

3.1.1 Твердость (НВ), относительная твердость (коэффициент твердости Ктв, показатель структурно-энергетического состояния Псэс).

3.1.2 Показатели напряженного состояния металла структурно-энергетический - (Псэс) и механический (Пм)

3.2 Диаграммы структурно-энергетического состояния ф «твердость (относительная твердость) - энергоемкость ь (предельная удельная энергия деформации)».

3.3 Диаграмма предельного механического состояния.

3.4 Критерии разрушении пластичных металлов.

3.5 Алгоритм использования диаграмм предельного состояния для оценки и выбора материалов.

3.6 Выводы по главе 3.

4. Применение методики для выбора материалов при изготовлении сменно-запасных деталей черпаковых земснарядов.

4.1 Расчет значений энергоемкости и критериев разрушения для сталей различных классов.

4.2 Практическая реализация результатов исследований в судоремонте при изготовлении сменно-запасных деталей.

4.3 Выводы по главе 4.

Актуальность темы. Состояние водных путей во многом определяется эффективностью работы речного технического флота в навигационный период эксплуатации.

Суда технического флота (черпаковые земснаряды, землесосы и др.) выполняют всевозможные задачи - дноуглубительные работы на водных путях, создание новых судоходных трасс, строительство искусственных судоходных каналов для соединения рек, создание гидротехнических сооружений, намыв плотин, дамб и берегов рек, возведение насыпей, добыча песка, гравия и других минерально-строительных материалов, разработка подводных траншей при прокладке кабелей, магистральных газо- и нефтепроводов.

Использование потенциала внутренних водных путей является одним из эффективных направлений развития международного транспортного движения по территории России, в частности коридора «СЕВЕР-ЮГ». За счет использования судов смешанного плавания «река-море» осуществляются бесперевалочные перевозки грузов, а также развитие круизного пассажирского судоходства. Российские водные пути отнесены к VI-VII категориям европейской классификации, что требует выполнения большого объема дноуглубительных работ. Однако за последние 10 лет состав дноуглубительного флота России сократился в 1,5 раза, причем его состояние сильно изношено. Ремонтные простои в течение навигационного периода составляют до 20% рабочего времени и существенно снижают эффективность работы земснарядов. Проектирование и изготовление нового флота из-за длительности процесса и его высокой стоимости в настоящее время проблематично. Поэтому одной из основных задач, стоящей перед научными, проектными и эксплуатирующими организациями речного флота, является продление срока службы существующих дноуглубительных земснарядов. Для этого требуется развитие технологий судоремонта с применением материалов с высокими предельными характеристиками.

Целью работы является повышение долговечности деталей черпа-ковой цепи дноуглубительных земснарядов, эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания, ударных и динамических нагрузок.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1 Анализ экспериментальных и теоретических работ по износостойкости сталей в разных структурных состояниях, анализ моделей и закономерностей абразивного изнашивания.

2 Анализ особенностей поведения хрупких и пластичных материалов при абразивном изнашивании.

3 Установление взаимосвязи износостойкости сталей с известными и новыми критериями разрушения.

4 Разработка новых комплексных диаграмм структурно-энергетического состояния, позволяющих оперативно выбирать взаимозаменяемые материалы для деталей земснарядов

5 Разработка методики выбора эквивалентных состояний материалов и взаимозаменяемых технологий, основанной на применении характеристик предельного состояния материалов.

6 Установление области применения упрочняющих технологий по новым диаграммам состояния материалов, разработка алгоритма применения методики для разработки взаимозаменяемых технологий изготовления деталей.

7 На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать и внедрить ресурсосберегающие технологии в судоремонтном производстве.

Объект исследований - сменно-запасные детали многочерпако-вых земснарядов, эксплуатирующиеся в условиях повышенного абразивного изнашивания (детали черпаковой цепи - пальцы, втулки, черпаки, скаты и пр.).

Методы исследования - аналитические, основанные на анализе современных представлений о природе пластической деформации и разрушения материалов, а также моделей изнашивания.

Научная новизна работы сводится к следующему:

1 Установлены особенности абразивного изнашивания хрупких и пластичных материалов в связи с особенностями поведения их предельных характеристик в зависимости от объемного напряженного состояния сжатия и сдвига, имеющих место при изнашивании.

2 Установлены обобщенные закономерности абразивной износостойкости металлических материалов (сталей) в зависимости от физических, технологических, эксплуатационных и прочих факторов, при этом использованы новые синергетические критерии разрушения, необходимые для сравнения интенсивности изнашивания различных материалов.

3 Обоснована и разработана новая комплексная методика оценки и выбора взаимозаменяемых структурно-энергетических состояний металлических сплавов, технологий, обеспечивающая эквивалентную или повышенную износостойкость деталей, эксплуатируемых в условиях абразивного износа.

4 Предложены новые диаграммы структурно-энергетического состояния материалов в системе координат «энергоемкость (предельная удельная энергия деформации при растяжении) - относительная твердость»; новые методы анализа и получения эквивалентных (взаимозаменяемых) состояний материалов и технологий.

Практическая ценность работы:

1 Предложена новая комплексная методика оценки и выбора эквивалентных, взаимозаменяемых состояний, материалов и технологий, необходимых при изготовлении сменно-запасных деталей земснарядов, включающая:

-диаграммы структурно-энергетического состояния сталей, которые используются для определения допустимых и оптимальных значений и интервалов энергоемкости и твердости при выборе материалов и разработке технологии изготовления деталей;

- примеры диаграмм для хрупких и пластичных материалов (чу-гуны, 1 ЮГ 13Л, графитизированные и конструкционные стали), в широких диапазонах изменений твердости и энергоемкости, позволяющие оперативно выбирать материалы при изготовлении сменно-запасных деталей;

- примеры обоснованного выбора требуемых взаимозаменяемых состояний базовых марок сталей для конкретных изнашивающихся деталей черпаковой цепи;

- значения новых критериев разрушения, которые количественно выражают развитие процесса разрушения (изнашивания) металлов, позволяют показать роль структуры сталей (величины зерна, дисперсность вторых фаз, плотность дефектов и т.д.) после различных режимов термообработки.

2 Определены предельные значения и диапазоны изменения твердости и энергоемкости для распространенных сталей после различных видов и режимов термической и других упрочняющих обработок, позволяющие оперативно сравнивать и выбирать взаимозаменяемые состояния, материалы и упрочняющие технологии.

3 Разработаны технологии изготовления деталей черпаковой цепи, которые обеспечивают эквивалентную или повышенную износостойкость сменно-запасных деталей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Методика оценки структурно-энергетических состояний материалов и износостойкости деталей с помощью стандартных механических свойств и эквивалентных предельных характеристик металлов -предельной удельной энергии деформации (энергоемкости), относительной твердости, критериев разрушения— критерия зарождения трещин, распространения трещин, чувствительности механических свойств и предельных характеристик к напряженному состоянию.

2 Установление обобщенных закономерностей износа материалов в зависимости от физических, механических, технологических и других факторов.

3 Диаграммы предельного состояния сталей для назначения эквивалентных взаимозаменяемых технологий изготовления деталей, выбора оптимальных состояний и марок сталей.

Достоверность результатов диссертационного исследования подтверждена продолжительными натурными испытаниями опытных деталей на черпаковых дноуглубительных земснарядах и обеспечением уровня механических свойств, определяющих долговечность, соответствующих требованиям стандартов.

Апробация работы. Полученные теоретические и практические результаты обсуждались на II Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2000 г.), Международном научно-промышленном форуме «Великие реки-2005» (Нижний Новгород, 2005 г.), Научно-методической конференции профессорскопреподавательского состава, аспирантов и специалистов ВГАВТ (Нижний Новгород, 2005 г.)

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 2 приложений. Основной текст диссертации изложен на 163 с машинописного текста, в том числе 49 рисунков и 15 таблиц. Список библиографических источников включает 122 наименования.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1 Решена важная научно-техническая задача совершенствования технологий ремонта быстроизнашивающихся деталей многочерпако-вых дноуглубительных земснарядов на основе разработки комплексной методики выбора взаимозаменяемых материалов, взаимозаменяемых упрочняющих и технологий.

2 Обоснованы координаты «относительная твердость - предельная удельная энергия деформация (энергоемкость)» и построена диаграмма предельного состояния металлических сплавов, которая позволяет оперативно выбирать эквивалентные состояния, материалы и технологии ремонта, обеспечивающие повышенную износостойкость деталей земснарядов.

3 Предложены комплексные сочетания критериев износостойкости взаимозаменяемых металлических сплавов в виде показателей твердости, предельной энергоемкости (вязкости разрушения), критерия зарождения трещин, критерия распространения трещин, критерия хрупкости, масштаба, показателя чувствительности предельной пластичности материалов к изменению напряженного состояния, позволяющие рассчитывать эквивалентные структурно-энергетические состояния разных сталей для деталей земснарядов.

4 Установлены закономерности изменения параметра износостойкости в условиях абразивного и ударного изнашивания величинами предельной энергоемкости (вязкости разрушения) и критерия зарождения трещин, позволяющие прогнозировать показатели работоспособности и долговечности деталей из разных сплавов при одинаковых значениях их твердости.

5 Предложена адекватная модель связи износостойкости с соотношением твердости деталей пары трения, рабочих нагрузок и предела прочности (твердости) материала, критерия зарождения трещин, отражающая объективную картину процесса износа материалов.

6 Разработан алгоритм оперативной оценки и выбора металлических материалов при изготовлении сменно-запасных деталей черпа-ковой цепи дноуглубительных земснарядов с высокими противоиз-носными характеристиками.

7 Для восстанавливаемых деталей многочерпаковых земснарядов выбраны взаимозаменяемые материалы для пальцев черпаковой цепи; виды термической обработки и химико-термической обработок.

8 Показана экономическая эффективность при внедрении технических решений в бассейне Волжского региона, выражающаяся в экономии материально-технических средств в 1-2 млн. рублей в год.

1. Алпатов А.И. Исследование колебаний нагрузки черпакового привода // Труды ЛИВТ. Ч.З. Водные пути и изыскания. - Л., 1973. -С. 3-17.

2. Аристов Ю.К. Ремонт оборудования речных дноуглубительных снарядов. -М.: Транспорт, 1970.

3. Аристов Ю.К., Погодаев Л.И. Методы повышения долговечности деталей сочленения черпаковой цепи земснарядов. М.: Транспорт, 1988.

4. Артингер И. Исследование сопротивления хрупкому разрушению штамповых сталей. Автореф. дисс. . канд. техн. наук. - М.: ИМЕТ, 1972.-26 с.

5. Белоусов А.Р. Изменение геометрии цепной линии в процессе резания грунта // Труды ЛИВТ. Ч. 3. Водные пути и изыскания. - Л., 1973.-С. 80-87.

6. Белоцкий A.B., Винниченко В.Н., Муха И.М. Ультразвуковое упрочнение металлов. К.: Техника, 1989. - 168 с.7Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов. -М.: Металлургия, 1985.-600 с.

7. Бетехтин В.И., Владимиров В.И., Кадомцев А.Г., Петров А.И Пластическая деформация и разрушение кристаллических тел. Сообщение 2 // Проблемы прочности, 1979. № 8. - С. 51-57.

8. Бетехтин В.И., Владимиров В.И., Кадомцев А.Г., Петров А.И. Пластическая деформация и разрушение кристаллических тел. Сообщение 1 // Проблемы прочности, 1979. № 7. - С. 38-45.

9. Ботвина Л.Р., Баренблагг Г.И. Автомодельность накопления повреждаемости //Проблемы прочности, 1985.-№ 12-С. 17-24.

10. Ботвина Л.Р., Опарина И.Б., Новикова О.В. Анализ процесса накопления повреждений на различных структурных уровнях // МиТОМ, 1997.-№ 4.-С. 17-22.

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

12. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М, Колокольников М.Г. Абразивное изнашивание. М.: Машиностроение, 1990. - 244 с.

13. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов.- М.: Металлургия, 1984. 280 с.

14. Волков П.В. Метод локальной экспресс оценки механических свойств поверхностных слоев машиностроительных материалов. -Автореф. дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2000.-24 с.

15. Гаркунов Д.Н. Повышение износостойкости деталей машин.- Киев: Машгиз, 1960. 168 с.

16. Герасимова Л.П., Ежов A.A., Маресев М.И. Изломы конструкционных сталей. Справочник. -М.: Металлургия, 1987.-272 с.

17. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1968.-192 с.

18. Гринберг H.A., Дзыкович И.Д., Николаенко М.С. Химическая и структурная неоднородность и механические свойства износостойких легированных наплавок // Сварочное производство, 1974. №3. -С. 7-10.

19. Гриффите A.A. Явление разрушения и течения в твердых телах//МиТОМ, 1995. -№ 1.-С. 9-14.

20. Грозин Б.В. Износ металлов. Киев: Госиздат, 1976.-230 с.

21. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986.541 с.

22. Гуляев А.П. Трещиповедение // МиТОМ, 1994. №10. -С. 17-23.

23. Ежов Ю.С. Свершенствование технологий ремонта и прогнозирование износостойкости рабочих устройств судов технического флота. Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Л.: ЛИВТ, 1991. - 21 с.

24. Жильмо Л. Характеристика свойств конструкционных сталей работой предельной деформации // Современные проблемы металлургии. Сб. научн. Трудов ИМЕТ. М.: АН СССР, 1957. С. 572-582.

25. Журавлев В.И., Николаева О.И. Машиностроительные стали: Справочник. М.: Машиностроение, 1992. - 480 с.

26. Журков С. Н. Кинетическая теория прочности // ЖТФ, 1958. -т. 28.-С. 1719.

27. Журков С.Н. Дилатонный механизм прочности твердых тел // ФТТ, 1983.-Т. 25.-вып. 10.-С. 3124-3126.

28. Зернов С.Я. Результаты испытаний многочерпаковых дизель-электрических снарядов // Труды ЛИВТ. Вып. 88. - Л., 1967. -С. 43-48.

29. Зоткин В.Е. Научные основы выбора материалов и упрочняющих технологий в машиностроении: Учебное пособие. М.: МГОУ ЦНИИ МО РФ, 1999. - 282 с.

30. Иванов В.А., Лукин Н.В., Разживин С.Н. Суда технического флота. М.: Транспорт, 1982. - 366 с.

31. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургия, 1963. - 272 с.

32. Иванова B.C., Баланкин A.C., Бунин И.Ж., Оксагоев A.A. Синергетика и фракталы в материаловедении. -М.: Наука, 1994.-383 с.

33. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. -М.: Металлургия, 1975.-455 с.

34. Износ деталей сельскохозяйственных машин / Под ред. М.М. Северова. Л: Колос, 1972. - 288 с.

35. Картышев A.B., Пенкин Н.С., Погодаев Л.И. Износостойкость деталей земснарядов. Л.: Машиностроение, 1972. - 152 с.

36. Катор Л. Оценка прочности отрыва поликристаллических металлов по внутренней энергии // Проблемы прочности, 1972. С. 49-53.

37. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев: Техника, 1970.-396 с.

38. Кочин Ф.И., Пилипепко BJL, Щекин И.В. Методика оценки трещиностойкости стали по результатам стандартных испытаний на растяжение и ударный изгиб // Проблемы прочности, 1989. № 3. -С. 28-32.

39. Краковский И.И. Современное состояние зарубежной доно-углубительной техники. Горький: ГИИВТ, 1968. - 32 с.

40. Кремнев Л.С. Критический коэффициент интенсивности напряжений и вязкость разрушения высокопрочных инструментальных материалов //МиТОМ, 1966. -№1. С. 30-40.

41. Кремнев Л.С. Энергия трещиностойкости // Современные проблемы прочности. Научн. труды VI Международного симпозиума. -2003, т2.-С. 241-246.

42. Кроха В.А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации. М.: Машиностроение, 1980. - 157 с

43. Куманин В.И., Ковалева, Соколова М.Л.,. Устранение повреждаемости металлических материалов с помощью восстановительной термической обработки // МиТОМ, 1995. -№ 4. С. 7-12.

44. Куманин В.И., Соколова М.Л., Лунева C.B. Развитие повреждаемости в металлических материалах // МиТОМ, 1995. -№ 4, С 2-6.

45. Курашин H.A., Фунтикова Е.В. Повышение надежности быстроизнашиваемых узлов земснарядов // Речной транспорт, 1993. -№4.-С. 18-19.

46. Куров И.Е., Сидорова А.И., Сигачев А.И. Влияние вида напряженного состояния на микромеханизмы разрушения цинка. Прикладные проблемы прочности и пластичности. / Всесоюзн. Межвуз. Сб.-ГГУ, 1987.-С. 101-107.

47. Лейнарчук Е.И. Электородуговапя наплавка деталей при абразивном и гидроабразивном износе. Киев: Наукова думка, 1985. — 160 с.

48. Лукин Н.В., Разживин С.Н., Стариков A.C. Суда технического флота. М.: Транспорт, 1992. - 335 с.

49. Мадянов С.А. О влиянии двойного отпуска на свойства сталей //МиТОМ, 1973. -№ 7. С. 62-64.

50. Макклинток Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов. М.: Мир, 1970. - 443 с.

51. Малков В.П. Энергоемкость механических систем. Н. Новгород: ННГУ, 1995.-258 с.

52. Марковец М.П. Определение механических свойств по твердости. -М.: Машиностроение, 1979. 191 с

53. Матвеев Ю.И., Бессмертный Д.Э. Критерии, модели и закономерности абразивного изнашивания деталей земснарядов // Трение, изнашивание, смазка, 2005. № 6. - С. 57-58.

54. Матвеев Ю.И., Бессмертный Д.Э. Эффективность использования дноуглубительного флота на водном транспорте / Международный науч-но-промышленный форум «Великие реки-2005». Тезисы докладов. Том. 1 Н.Новгород: ННГАСУ, 2005. - С. 313-314.

55. Матюнин В.М., Волков П.В., Кашин В.В. Метод автоматизированного экспресс контроля механических свойств покрытий // Матер-лы Всеросс. Научн.-техн. конф. «Сварка и смежные технологии». М.: Изд-во МЭИ, 2000. - С. 321-326.

56. Махутов H.A. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 1981.-272 с.

57. Махутов H.A. Сопротивление элементов конструкций хрупкому разрушению. М.: Машиностроение, 1970. - 200 с

58. Машков Ю.К., Полещенко К.Н., Поворознюк С.Н., Орлов П.В. Трение и модифицирование материалов трибосистем. М.: Наука, 2000. - 280 с.

59. Металловедение в машиностроении: Справочник / Под ред.

60. B.А. Скуднова. -М.: Металлургия, 1995. 576 с.

61. Металлы: Строение, Свойства, Обработка. Справочник. -М.: ИЦ «Наука и техника», 1999. 710 с.

62. Мешков Ю.А. Энергетический критерий Гриффитса в микро-и макромеханике разрушения хрупких тел // МиТОМ, 1996. № 1.1. C. 25-30.

63. Молочная Т.В. Долговечность в эксплуатации гребных валов после ремонта // Надежность и работоспособность материалов для судовых машин и механизмов / Сб. научи, трудов. Горький: ГИИТВ, 1990.-вып. 248.-С. 26-32.

64. Надежность и долговечность машин / Под ред. Б.И. Костец-кого. Киев: Техника, 1975. - 405 с.

65. Новиков И.И. Теория ТОМ. -М.: Металлургия, 1986.-480 с.

66. Новиков И.И. Термодинамические аспекты пластического деформирования и разрушения металлов // Физико-механические и теплофизические свойства металлов. Сб. научн. трудов ИМЕТ. М.: Наука, 1976.-С. 170-179.

67. Погодаев Л.И. Цветков. Ю.Н. Хомякова Н.Ф. Влияние жесткости напряженного состояния на износостойкость материалов при гидро-и ударно-абразивном изнашивании // МиТОМ, 1997. № 4. -С. 22-30.

68. Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н., Дудко П.П. Повышение надежности трибосопряжений. С.-Пб.: Академия транспорта РФ, 2001. - 304 с.

69. Погодаев Л.И., Шевченко П.А. Гидроабразивный и кавитаци-онный износ судового оборудования. Л.: Судостроение, 1984. -264 с.

70. Попов С.М. Превращения в поверхностном слое стали при абразивном износе // МиТОМ, 1973. -№ 3. С. 15-17.

71. Портовая техника для добычи и выгрузки нерудных строительных материалов. М.: Транспорт, 1989. - 65 с.80Проников А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение. 1978.-592 с.

72. Разживин С.Н. Динамика черпаковой цепи землечерпательного снаряда // Труды ГИИВТ. Вып. 110. - Горький, 1970. - С. 65-73.

73. Регель В. Г., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е. Кинетическая природа прочности твердых тел // УФН., 1972. Т. 106, вып. 2. -С. 193.

74. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Д.Е. Кинетическая теория прочности твердых тел // УФН, 1972. Т. 106. - Вып. 2. -С. 193-227.

75. Ремонт дорожных машин: Учебник. М.: Транспорт, 1982.237 с.

76. Ремонт машин инженерного вооружения: Учебник. М.: Воениздат, 1983.-532 с.

77. Романив О.Н. Вязкость разрушения конструкционных сталей. -М.: Металлургия, 1979. 176 с.

78. Сидоров А.И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой. -М.: Машиностроение, 1987.-238 с.

79. Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии // Материалы симпозиума к 100-летию И.А.Одинга. М.: РАН, 1996. Ч. 1-255 е., Ч. 2 - 255 с.

80. Скуднов В.А. Закономерности предела текучести // Изв. вузов. Черная металлургия, 1997. -№ 4. С. 25-28.

81. Скуднов В.А. Закономерности предельной удельной энергии деформации основной синергетической (кооперативной) характеристики разрушения и работоспособности металлов. Материаловедение и металлургия / Н. Новгород: НГТУ, 2004. - том 42. - С. 94-101.

82. Скуднов В.А. Закономерности сопротивления разрушению // Изв. вузов. Черная металлургия, 1994. № 8. - С. 42-44.

83. Скуднов В.А. Предельные пластические деформации металлов. -М.: Металлургия, 1989 176 с.

84. Скуднов В.А., Григорьев И.Н., Гаврилова Л.А. Способ определения пластичности упрочненного металла. Патент № 2080259.

85. Скудпов В.А., Краев А.П., Мадянов С.А., Дейч И.С. О взаимосвязи параметров релаксации напряжений, твердости и предельной деформации сталей различных классов // Известия ВУЗов. Черная металлургия, 1995.-С. 48-51.

86. Скудпов В.А., Мошков Д.В. Закономерности поведения кривых усталости // Изв. вузов. Черная металлургия, 1995. №2. -С. 24-26.

87. Скуднов В.А., Нуждина Т.В. К вопросу о теории хрупкого разрушения инструментальной стали Р6М5. // Материаловедение и металлургия / Труды НГТУ. Н. Новгород: НГТУ, 2004. - Т. 42. -С. 115-119.

88. Скуднов В.А., Северюхин А.Н. О взаимосвязи предельной удельной энергии деформации с критериями трещиностойкости линейной и нелинейной механики разрушения. // Изв. вузов. Черная металлургия, 1993. № 11-12.- С. 42-45.

89. Скуднов В.А., Северюхин А.Н. О связи предельной удельной энергии деформации с твердостью стали.// Изв. вузов. Черная металлургия, 1995.-№4.-С. 42-43.

90. Скуднов В.А., Северюхин А.Н. Способ определения вязкости разрушения металлов. Патент № 2052790 от 20.01.1996.

91. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. -М.: Машиностроение, 1977. -462 с.

92. Соколов Л.Д. Сопротивление металлов пластической деформации. М.: Металлургия, 1963. - 272 с.

93. Соколов Л.Д., Скуднов В.А., Соленов В.М. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1972. - 278 с.

94. Соловьев В.Г. и др. Эксплуатация и ремонт машин инженерного вооружения. -М.: Воениздат, 1987. 303 с.

95. Стариков A.C. Технологические процессы земснарядов. -М.: Транспорт, 1989. 223 с.

96. Степанов A.B. Основы практической прочности кристаллов. М.: Наука, 1974. -132 с.

97. Степанов В.А. Роль деформации в процессе разрушения твердых тел // Проблемы прочности и пластичности металлов: Сб. на-учн. тр. ЛФТИ. Л.: Наука, 1979. - С. 10-26.

98. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория ОМД. М.: Машиностроение, 1977. - 366 с.

99. Тененбаум М.М. Сопротивление абразивному изнашиванию. -М.: Машиностроение, 1976. 272 с.

100. Ткачев В.Н. Износ и повышение долговечности деталей сельскохозяйственных машин. -М.: Машиностроение, 1972.-264 с.

101. Толстов В.А., Семиколенных М.Н., Баскаков Л.В. Износостойкие наплавочные материалы и высокопроизводительные методы их обработки. -М.: Машиностроение, 1992.-224 с.

102. Трение, изнашивание и смазка: Справочник в 2 книгах / Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. -М.: Машиностроение. Кн. 1, 1978.-400 с; Кн. 2, 1979.-358 с.

103. Ульман О.Д. Ремонт машин: Учебник. М.: Колос, 1982,.446 с.

104. B.C. Обобщенная функция накопления повреждений при усталости.1. C. 171-182.

105. Фомин Г.Н., Богданович Г.И. Динамические нагрузки в приводе дноуглубительного устройства многочерпакового земснаряда МШДЭ-150 // Труды ГИИВТ. Вып. 177. - Горький, 1980. - С. 49-50.

106. Хрущев М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. -М.: Наука, 1970.-250 с.

107. Чичкова А.Е. Графитизированные стали для деталей горнометаллургического оборудования. Автореф. дисс. . канд. техн. наук. - Новокузнецк: СМИ, 1990. - 22 с.

108. Шитов А.Н., Веденеев A.A. Влияние различных факторов на изнашивание рабочих органов почвообрабатывающих машин // Ремонт, восстановление, модернизация, 2002. -№ 7. С. 21-23.

109. Яковлев В.В, Карпов П.П., Астафьев Г.Н. О выборе критерия пластичности конструкционных материалов // Сталь, 1999. № 9. -С. 69-71

110. Ярошевич В.К. Электроконтактное упрочнение. Минск: Наука и техника, 1882. -278 с.К