автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Повышение работоспособности судовых технических средств за счет применения износостойких материалов и технологий для защиты и восстановления быстроизнашивающихся деталей

На пргтах'рукописи

Донских Дмитрий Фаритович

Повышение работоспособности судовых технических средств за счёт применения износостойких материалов и технологий для защиты и восстановления быстроизнашивающихся деталей

Специальность: 05.08.04 — «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2012

005018528

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций»

Научный руководитель: Заслуженный деятель наук РФ, доктор

технических наук, профессор Погодаев Леонгард Иванович

Официальные оппоненты: Чулкнн Сергей Георгиевич д.т.н.,

Защита диссертации состоится «12» апреля 2012 г. в 15.00 в ауд. 235 на заседании диссертационного совета Д 223.009.04 при Санкт-Петербургском университете водных коммуникаций (СПГУВК) по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7, тел. 251-49-43, факс 251-02-81, e-mail: nayka@rol.rj

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций

Автореферат разослан <<&>> марта 2012 г.

профессор, заведующий кафедрой «Машиноведения и деталей машин» Санкт-Петербургского Государственного Политехнического университета

Голицын Вячеслав Алексеевич к.т.н., доцент кафедры «Технологии

судоремонта» Санкт-Петербургского

государственного университета водных коммуникаций

Ведущая организация: ОАО «Центр технологий судостроения и

судоремонта»

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 223.009.04 доктор технических наук, профессор

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время обеспечение достаточной надёжности оборудования механизмов дноуглубительной техники, а именно судов технического флота представляет собой проблему государственной важности. Можно предполагать, что невысокая надёжность судов технического флота, в частности интенсивный износ деталей черпаковой цепи земмапшн и деталей грунтовых насосов земснарядов, окажется серьёзным препятствием по дноуглублению судоходных рек.

Очевидно, что дноуглубительные работы могут выполняться только техническим флотом, т.е. установками, оснащенными грунтозаборными устройствами и средствами перемещения грунта или гидротранспорта неоднородной среды (пульпы) в места складывания. Для разработки плотных грунтов будут использоваться многочерпаковые земмашины, а для работы на песчаных грунтах - землесосные снаряды (землесосы). Общим для земмапшн и землесосов является низкая надёжность рабочих устройств (РУ), в значительной степени определяющих их работоспособность и эффективность эксплуатации земснарядов в целом.

Опыт показывает, что такими рабочими устройствами являются детали шарнирного соединения черпаков на земмапшнах и детали грунтовых насосов на земснарядах. При этом наибольшему износу подвергаются черпаковые пальцы и рабочие колёса насосов.

Цель работы. Основной целевой установкой диссертации является -повышение надёжности быстроизнашивающихся деталей судовых технических средств (грунтовых насосов землесосных снарядов и черпаковых цепей многочерпаковых земмашин), в наибольшей степени определяющих эффективность их эксплуатации при воздействии гидроабразивных сред, например, при выполнении дноуглубительных работ.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Выявление условий (причин) возникновения эрозии рабочих устройств земснарядов и анализ характера изнашивания ведущих деталей.

2. Выбор лабораторных стендов, адекватно отражающих реальные условия работы черпаковой цепи земмашин и грунтовых насосов землесосных снарядов и особенности изнашивания ведущих деталей.

3. Разработка схемы оптимизации условий работы землесосов за счёт согласования гидравлических и геометрических характеристик насосов с учетом вихреобразования в рабочих колёсах и эрозионной стойкости изнашиваемых материалов.

4. Выявление основных причин низкой надёжности деталей шарнирного соединения черпаковой цепи земмапшн и способов повышения их работоспособности: химико-термической обработкой, заменой аустенитной стали 110Г13 на легированные конструкционные с упрочняющей термообработкой, заменой кованых черпаковых пальцев на литые.

Объектом исследования диссертации являются суда технического флота и их элементы (детали шарнирного соединения черпаковой цепи и грунтовых насосов, черпаки, барабаны, роульсы, разрыхлительные устройства, пульпопроводы).

Предметом исследования диссертации являются рабочие устройства судов технического флота, методы повышения их долговечности и обеспечение необходимого уровня надёжности.

Методы исследований. Применительно к условиям эксплуатации земснарядов и проблематике диссертации использован комплекс базовых и оригинальных методов исследований. При моделировании особенностей воздействия жидких гидроабразивных сред на поверхность деталей применялся структурно-энергетический подход.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов, содержащихся в диссертации, подтверждается результатами экспериментов, выполненных на лабораторных установках и на действующих земснарядах, а также удовлетворительной сходимостью расчетной износостойкости и долговечности ведущих деталей грунтовых насосов землесосов и многочерпаковых земснарядов (рабочих колёс и черпаковых пальцев соответственно) с показателями их надёжности в условиях эксплуатации.

На защиту выносятся:

— технологический процесс электролизного борирования черпаковых пальцев земснарядов и результаты оценки их надёжности на стендах и в натурных условиях;

— метод оценки надёжности материалов и покрытий по энергетическому критерию;

— зависимости эрозии деталей от совокупности характеристик неоднородных гидроабразивных сред, геометрии деталей, рабочих параметров механизмов и от комплексного энергетического критерия;

— структурно-энергетические модели надёжности быстроизнашивающихся деталей и рабочих устройств земснарядов.

Научная новизна работы. В результате использования структурно-энергетического подхода получены:

1. Модели надёжности компактных материалов, наплавок и покрытий, наиболее полно учитывающие условия нагружения деталей.

2. Рабочие характеристики механизмов и прочностные пластические свойства изнашиваемых объёмов деталей, представленных энергетическим критерием при абразивной и кавитационной эрозии.

Разработанные структурно-энергетические модели позволяют оценить влияние на эрозионную стойкость деталей не только структуры материалов и покрытий на различных масштабных уровнях внешнего воздействия, но и структурные особенности неоднородных жидких сред, например, интенсивность вихреобразования и размеры вихрей, вызывающих интенсивное местное изнашивание.

Практическую ценность в работе представляют:

- опытные данные по относительной износостойкости широкого круга материалов, наплавок и покрытий при различных видах эрозии в неоднородных средах;

— результаты оптимизации технологии поверхностного электролизного борирования черпаковых пальцев из углеродистой стали и данные по оценке работоспособности крупной серии пальцев после химико-термической обработки в условиях эксплуатации;

— соотношения для пересчёта относительной износостойкости материалов при одном виде изнашивания на другой, например, по известному ряду износостойкости материалов при гидроабразивной эрозии: формулы для построения рядов стойкости этих материалов при ударно-абразивном изнашивании, гидроэрозии и коррозии;

- разработанный расчётный метод оценки надёжности материалов и покрытий по их энергоёмкости при различных разновидностях эрозии.

Реализация результатов работы. Исследование работоспособности и внедрение в производство модернизированных рабочих устройств земснарядов выполнялось в различные периоды времени на земснарядах Волжского ОРП'а, Ленинградского речного порта и морской пристани, треста «Севзапморгидрострой», на з/с: ГДУ-1, «Северо-Западный-16», «Волжский-36», «Литер-Д», «Московский-2» и на других объектах.

Методика расчета долговечности деталей грунтовых насосов путём согласования геометрии быстроизнашивающихся деталей и рабочих характеристик грунтонасосных установок внедрена в учебный процесс СПГУВК в виде курсовой работы, выполняемой студентами механической специальности в процессе освоения дисциплины Надёжность судового оборудования.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Республиканских, городских и расширенных вузовских научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и научных работников СПГУВК; на 9 и 10 Международных научных конференциях «Трибология и надёжность - 2009 и 2010» (СПб, ПГУПС); на 4-ом Международном симпозиуме «Транстрибо - 2010» (СПб, ПГТУ); на 12-ой Международной научно-практической конференции

«Ресурсосберегающие технологии ремонта оборудования» (СПб, ПГТУ, «Плазмацентр - 2010»).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 17 печатных работах, из которых 4 соответствуют списку ВАК РФ.

Структура и объёмы работы. Диссертация представлена в форме рукописи, состоящей из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных литературных источников из 43 наименований. Материал изложен на 136 страницах машинописного текста, включающего 43 рисунка и 20 таблиц.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы в связи с вопросами надёжности технических средств при выполнении значительного объёма дноуглубительных работ, а также в связи с экологическими и транспортными проблемами; показана её научная и практическая значимость, сформулированы цель и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на примере рабочих колёс грунтовых насосов рассмотрены особенности местного гидроабразивного изнашивания деталей в связи с рабочими характеристиками оборудования, а на примере черпаковых пальцев показаны условия нагружения и изнашивания деталей черпаковой цепи земмашин.

Практика показывает, что детали грунтовых насосов, в первую очередь - рабочие колёса, вырабатывают предельный ресурс в основном из-за характерных местных износов, связанных с образованием вихрей в двухфазном потоке. Наиболее интенсивное вихреобразование, особенно при неоптимальных режимах работы грунтовых насосов, например, при низких напорах, наблюдается на лопастях и дисках при входе в рабочее колесо и в районе выхода пульпы из колеса в отвод. Значительно изнашиваются защитные бронедиски, передняя крышка и особенно - съёмное

уплотнительное кольцо, скорость изнашивания которого может превысить 0,2 мм/ч. Характер износа деталей грунтовых насосов показан на рис. 1 и 2.

Опыты показали, что увеличение долговечности рабочих колёс грунтовых насосов при уменьшении их наружного диаметра происходило за счёт удаления локальных зон интенсивного вихреобразования и изнашивания на выходе пульпы из межлопастных каналов. Установление этого явления послужило в дальнейшем основой при разработке метода оптимизации режимов работы грунтовых насосов по критерию Кн, равному установленному опытом, оптимальному отношению фактического напора к окружной скорости на ободе рабочего колеса (Кн = Нф/и2).

Местному гидроабразивному изнашиванию подвергаются также стальные трубы грунтопроводов, общая длина которых в ряде случаев достигает 450...550 м. Для снижения интенсивности изнашивания грунтопроводов внутренняя поверхность труб должна быть гидравлически гладкой и какие-либо местные препятствия на пути пульпы должны отсутствовать.

Рис. 1. Расположение зон местных износов колёс насосов при низконапорных режимах работы: 1 - на рабочей поверхности лопасти; 2 - на

дисках; 3 - на стыке диска с лопастью; 4 и 5 - на нерабочих поверхностях лопастей и дисков; б - поверхность стали 25 Л в зонах местного изнашивания

г

(хЮО)

В) Г)

Рис. 2. Рабочее колесо грунтового насоса з/с ДЭ-250: а - до эксплуатации; б - после работы в течение 600 часов; в — после наплавки; г - износ наплавленного слоя

Детали черпаковой цепи многочерпаковых земснарядов подвергаются нескольким разновидностям изнашивания.

В моменты резания и забора грунта черпаковые детали шарнирного соединения черпаковой цепи испытывают весьма высокие давления, сопоставимые с твёрдостью пальцев, втулок в полозках черпаков и колец в соединительных звеньях, изготовляемых в настоящее время из марганцовистой стали 110Г13 с аустенитной структурой; нагрузки сжатия и сдвига деформируют втулки и кольца практически на всю толщину (как бы «расплющивают» их). Рабочие поверхности деталей через некоторое время покрываются сеткой трещин предположительно коррозионно-усталостного происхождения, возможно при малоцикловой усталости. При резании грунта в зазоры между деталями шарнирного соединения могут проникать абразивные частицы с последующим вдавливанием их в сопряженные поверхности, дроблением, микрорезанием и возникновением повреждений металла в виде царапин, углублений и других дефектов. При выжимании воды, засорённой абразивными частицами, из зазоров в шарнирах черпаковой цепи, износ сопряженных поверхностей можно считать гидроабразивным, на что указывает сравнительно низкая шероховатость поверхности черпаковых пальцев (Я7= 10...20 мкм) в сопряжениях.

Рис. 3. Характер износа черпакового пальца земснаряда ДЭС-500: а — черпаковый палец из стали 1 ЮГ 13 с предельным износом (15 мм на диаметр); б - микроструктура стали в очаге заедания (схватывания) х 100; в - наклёп и разрушение поверхности х 100; г - вид изношенной поверхности при трении пары-палец-втулка в черпаке

При нагружении шарнирных соединений черпаковой цепи в районе верхнего барабана изнашивание деталей при трении может происходить за счет локального схватывания (сваривания) сопряженных деталей с последующим глубинным вырыванием металла.

В отличие от сложных условий внешнего воздействия на детали шарнирного соединения черпаковой цепи и, как следствие, протекания существенно различных видов их изнашивания во времени и в пространстве процессы изнашивания козырька черпаков (с режущими кромками) и полозков можно идентифицировать более определённо: козырьки изнашиваются при движении в неоднородной абразивной среде, а полозки при трении в присутствии абразивной прослойки между поверхностью полозков и гранями барабана.

Опыт эксплуатации многочерпаковых земснарядов свидетельствует о том, что в настоящее время материаловедческие решения, направленные на повышение надёжности быстроизнашивающихся деталей, пока ещё далеки от оптимальных.

В заключение главы рассмотрены стенды для испытаний материалов и покрытий на износостойкость при различных видах эрозии.

Во второй главе рассмотрены вопросы целесообразности изготовления деталей грунтовых насосов из легированных сталей вместо стали 25Л. Критический анализ опыта применения материалов, идущих для

изготовления деталей, предназначающихся для работы в условиях гидроабразивного изнашивания, а также проведенные автором сравнительные испытания на гидроабразивный износ различных марок стали, чугуна и цветных сплавов, позволяют утверждать, что широким условиям гидроабразивного изнашивания, с точки зрения обеспечения оптимальной износостойкости детали, из большого круга материалов наиболее полно удовлетворяет только сталь.

Установлено, что хромомарганцевые стали перлитного класса сравнительно простого химического состава имеют высокую стойкость при гидроабразивном изнашивании и в условиях кавитационной эрозии. По этим характеристикам они не уступают известным в промышленности сложнолегированным сталям разных классов. Исследования зависимости износостойкости сталей от структуры показали, что наибольшей стойкостью в условиях гидроабразивного износа и кавитации обладает хромомарганцевая сталь перлитного класса со структурой нижнего бейнита.

Исследование особенностей поведения сталей, находящихся в различном структурном состоянии (внутренние условия) при воздействии на них гидроабразивного потока в зависимости от явлений вихреобразования в потоке, угла атаки, крупности, окатанности и концентрации абразивных частиц, а также скорости потока (внешние условия), позволили предложить марку износостойкой стали простого состава. Сталь на основе легирования хромом и марганцем имеет три разновидности, учитывающие конкретные условия изнашивания: 20Х5Г2 (для переработки гравийной и гравийно-песчаной массы), 30Х4Г2Т (для широких условий изнашивания) и 30Х4Г2МТ (для изготовления толстостенных деталей и при повышенной абразивности частиц в пульпе).

Таблица 2

Химический состав сталей

Марка стали Содержание элементов в %

С Бі Мп Сг БиР Мо Ті

20Х5Г2 0,20+0,25 0,4+0,8 1,2+1,4 4,5+5,5 <0,02 ___ ___

30Х4Г2Т 0,25-0,35 0,4-Ю,8 1,2+1,4 3,5+4,5 <0,02 — 0,08+0,1

30Х4Г2МТ 0,25+0,35 0,4+0,8 1,2+1,4 3,5+4,5 <0,02 0,4+0,5 0,08+0,1

Из стали 20Х5Г2 можно отливать детали рефулерных насосов любых размеров.

Отливки из этой стали необходимо до механической обработки подвергать нормализации с обдувом струей воздуха. Твердость деталей после нормализации 350^375 НВ.

Сталь 30Х4Г2Т и, особенно, 30Х4Г2МТ рекомендуется применять в тех случаях, когда требуется повышенная прокаливаемость и твердость деталей. Из этих сталей целесообразно отливать детали насосов, работающих на водо-песчаной смеси при повышенных скоростях потока и малой окатанности абразивных частиц.

После нормализации на спокойном воздухе твердость отливок составляет 400^420 НВ, поэтому при изготовлении деталей можно рекомендовать такую последовательность технологических операций: смягчающий отжиг - механическая обработка, - нормализация, доводка -отпуск при 35СИ-450 °С.

Механические свойства отливок из хромомарганцевых сталей после нормализации находятся в следующих пределах: предел прочности 1200^-1500 МПа, предел текучести 1100-^1300 МПа, относительное удлинение 2-^5 %, ударная вязкость 10-К30 кДж/м2, твердость 350^420 НВ.

Рис. 4. Рабочие колеса грунтовых насосов 12Р-7 после эксплуатации в одинаковых условиях в течение навигации /Ленречпорт/ а - колесо из стали 25Л; б - колесо из хромомарганцевой стали

В третьей главе приведены результаты оценки износостойкости ряда сложнолегированных наплавочных материалов при гидроабразивном изнашивании (ГАИ) по энергетическому критерию. Предложены материалы и технологии их использования.

Моделирование процессов ГАИ изнашивания наплавленных деталей в лабораторных условиях. Основной объем испытаний был выполнен на установке лоткового типа, сравнительно простой по конструкции и надежной в работе, позволяющей одновременно испытывать шесть образцов в форме цилиндров диаметром и высотой по 25 мм (рис. 5). Образцы закрепляются в стержневых оправках и перемещаются по окружности 0 300 мм в лотке, наполненном ГА смесью, с линейными скоростями в диапазоне от 5 до 32 м/с. Такой диапазон изменения скоростей соответствует средним скоростям движения пульпы в проточных каналах современных грунтовых насосов. В зависимости от способа крепления образцов в оправке и рельефа их поверхности при испытаниях можно изучать особенности общего и местного изнашивания, возникающего за препятствиями (крепежными головками, выступами регулярного рельефа и т.п.).

Рис. 5. Лотковая установка для ГА изнашивания материалов: 1 - крышка; 2 — охлаждающая жидкость; 3 — рабочая среда; 4 — образец; 5 — эл. двигатель; 6 - пластины, стабилизирующие поток гидросмеси; слева — узел крепления

образца

Для установления зависимости ГА износа образцов от концентрации абразивных частиц в воде, продолжительности испытаний, скорости перемещения образцов в рабочей смеси, угла атаки и крупности абразивных частиц, необходимых для дальнейших систематических испытаний

износостойкости материалов, были проведены экспериментальные исследования стойкости разных сплавов в сравнении со стойкостью углеродистой стали 25Л.

В результате испытаний были получены следующие зависимости. При крупности абразивных частиц 0,315... 1,0 мм и скорости 11,2 м/с наибольший износ сплавов наблюдался при концентрации абразива в воде, равной 70 %. Зависимость массового износа от продолжительности опыта оказалась линейной. В диапазоне изменения скорости перемещения образцов в рабочей среде 70 %-ой концентрации от 5 до 32 м/с зависимость износа сплавов от скорости оказалась близкой к квадратичной. Экстремальный угол атаки, соответствующий наибольшему износу твердых сплавов оказался равным 60°, для более пластичных материалов составил 45°.

Рассматривая условия динамического внедрения недеформируемых сферических абразивных частиц в более мягкий изнашиваемый материал, объемный износ последнего Уии, представили в виде отношения потока внешней энергии к критической плотности мощности деформации.

где <5„ - глубина пластически деформированного слоя на поверхности изнашиваемого материала от воздействия абразивных частиц при установившемся процессе изнашивания; ц, - среднестатистический объем наклёпанного слоя при соударении абразивной частицы с преградой; Ка — осредненный в потоке гидросмеси радиус абразивной частицы; сопх1\ — опытная константа; ра и ру — плотности абразива и изнашиваемого материала соответственно; кт - коэффициент, учитывающий долю внешней кинетической энергии ЕККН, запасаемую изнашиваемым материалом в виде скрытой энергии наклепа; V — скорость абразивной частицы; со - частота ударов абразивных частиц в рассматриваемый период времени Е*уд -удельная энергия разрушения материала, осредненная в деформируемом объеме в момент образования продуктов износа; - осреднённая в

деформируемом объеме критическая скорость удара (деформации), вызывающая разрушение материала; - знак осреднения.

Частная зависимость износа от угла атаки абразивных частиц, вытекающая из уравнения (1), указывает на существование экстремального угла атаки в пределах от 50 до 65° при разных /тр, когда износ максимален.

О)

При повышении коэффициента трения скольжения абразивных частиц по изнашиваемой поверхности, износ материалов снижается; зависимости износа от а и /пф имеют удовлетворительное экспериментальное подтверждение. Наибольший износ высокотвердых наплавок зафиксирован при а = 60°.

Ю

40 50

- /з Лк износ

/|( с ударами

1,1 1,3 1,5 1,7 1,3

г , ГА-ивызс ^Ол 1 ^ уЯареё

"V

Рис. 6. Износостойкость наплавок в зависимости от энергетических критериев (а) и относительной энергоёмкости при ударном (а) и безударном (б и в) ГА изнашивании

Детали гидромашин в жестких условиях эксплуатации подвергаются совместному ГАИ и кавитационной эрозии, поэтому при выборе наплавочных материалов целесообразно располагать данными об износостойкости наплавок как при ГАИ, так и кавитационной эрозии (КЭ).

В четвёртой главе приведены результаты моделирования процессов вихреобразования в грунтовых насосах в связи с режимами их работы и скоростями изнашивания рабочих колёс на разных уровнях внешнего воздействия рабочей среды.

При отрывных течениях в проточных каналах гидромашин увеличение скорости смеси, вовлеченной в локальные вихревые образования, будет зависеть от масштаба вихрей, например, от их радиуса г„, а также от влияния кавитационных явлений.

При вихреобразовании следует учитывать относительный радиус вихрей кп влияние кавитации кк, угла атаки ка и количества частиц Для скорости изнашивания деталей можно записать

ишш = сотЧ {К>К>ио)3 КК ~ сопя!2, (2)

где Ро — скорость невозмущенного потока. Наблюдения показывают, что кп~ 1,5; ¿„я 1,5; ка = 3,0; ^=7...8.

При Уо = 10 м/с и указанных выше значениях коэффициентов параметр п в (2) может изменяться в пределах от 3 до 5,5...6,0. Последние

исследования показали, что при переходе от одного уровня внешнего энергетического воздействия к другому значение п может дискретно изменяться в более широких пределах; от 1,0...1,5 до 5,5...6,0 и окажется равным 1,0...1,5 при общем гидроабразивном изнашивании; 3,0 - при местном изнашивании и достигнет 5,5...6,0 при местном изнашивании с сильно развитой вихревой структурой потоков двухфазной жидкости.

Приняв в качестве критерия оптимизации грунтонасосных установок относительную себестоимость погрузки тонны песка, можно при скорости на ободе колеса и2 = const последовательно определить: 1 — оптимальное соотношение меяаду напором Нф и наружным диаметром рабочего колеса D2 при наименьшей себестоимости погрузки и наибольшим к.п.д. насоса (0,68...0,70); 2 — по оптимальному значению параметра Кн = Нф/мг установить допускаемую скорость изнашивания и долговечность деталей. Такая методика оптимизации предполагает снижение потерь энергии на завихрение за счет уменьшения диаметра D2 путем обточки рабочего колеса.

Реализованная на практике схема оптимизации условий эксплуатации гидроперегружателей, заключающаяся в итоге в обтачивании рабочего колеса до оптимального диаметра D2, повысила долговечность ведущих деталей грунтовых насосов в 2...4 раза.

Важно отметить, что ряды износостойкости материалов при кавитационном и гидроабразивном изнашивании соответствуют друг другу и позволяют производить пересчет их относительной износостойкости с одного вида изнашивания на другой, в частности: по степенной (кубической или квадратичной, в более жестких условиях внешнего воздействия) зависимости относительной износостойкости материалов при кавитационной эрозии кп от их относительной износостойкости при гидроабразивном изнашивании &гаи, т.е. по соотношению кю ~ £гаи2'"3.

Пятая глава посвящена проблеме повышения надёжности шарнирного соединения черпаковой цепи земснарядов. Рассматривается целесообразность замены кованых черпаковых пальцев на литые в кокиль и защиты поверхности от абразивной эрозии электролизным борированием.

В Ленинградском институте водного транспорта (с 1993 г. в СПГУВК) были отлиты 15 черпаковых пальцев из стали 110Г13, дополнительно легированной хромом (1...4 %), титаном (0,5...2,0%) и ванадием (0,6...5,2 %) по три пальца в трёх партиях. Пальцы из 110Г13 с ванадием состояли из шести партий по три пальца в партии. Всего было отлито 33 опытных детали.

Дополнительное легирование стали 110Г13 хромом и титаном повысило прочность и твёрдость образцов соответственно на 10 и 20 %; предел текучести увеличился ~ на 15 %, предотвратило смятие поверхности пальцев в первые недели эксплуатации на 45...65 %, а степень деформации при сжатии снизилась примерно в 3 раза. Увеличение прочности и снижение пластичности стали повысило работоспособность черпаковой цепи. Этому способствовало также отсутствие обезуглероженного поверхностного слоя у литых пальцев.

J

§§ % у

$1/

ч

\ - ^ / / '2 "f -

V

и Gr

HB т

ш

250 23В

{234 Содержание У,Сг.П.%

Рис. 7 Износ черпаковых пальцев, отлитых из стали 110Г13, содержащей

хром, титан и ванадий: 1 и 2 - твёрдость пальцев с ванадием в литом состоянии и после

аустенитизации при 1100 °С соответственно.

На рис. 7 показано влияние хрома, титана и ванадия на износ черпаковых пальцев после работы в паре со штатными втулками и кольцами в течение 700 ч (пальцы с хромом и титаном) и 1550 ч (пальцы с ванадием). Анализ износа показывает, что легирование стали 110Г13 карбидообразующимися элементами следует производить только до определенного предела, выше которого износостойкость пальцев понижается. Легирование стали 110Г13 хромом целесообразно в количестве 2 - 4 %, титаном - 0,5 - 1,0 %, ванадием - 1,5 - 3,0 %. Соответственно этому, можно рекомендовать три равноценные по износостойкости марки стали; ПЗХЗЛ, Г13ТЛ и Г13Ф2Л.

Черпаковые пальцы из указанных марок стали в 1,8 - 2,0 раза превосходят по износостойкости литые пальцы из стали 110Г13 и в 2,0 -2,5 раза штампованные пальцы из стали 110Г13 с грубой поверхностью, изготавливаемые из проката (рис. 8, б).

6)

В)

Рис. 8 Борированный черпаковий палец и втулка из стали 45 после работы в

цепи земснаряда «Северо-Западный-16» в течение навигации (а); литой черпаковий палец из стали Г13Ф2Л после работы в течение навигации на з/с «Волжский-36» (б); предельный износ штатного кованого пальца из стали 1 ЮГ 13 в сопоставимых условиях эксплуатации (в)

Эффективным способом повышения износостойкости черпаковых пальцев является защита их рабочих поверхностей различными наплавочными материалами. Применение наплавочных материалов целесообразно как для новых деталей, так и для деталей, получивших износ.

Наплавка черпаковых пальцев электродами Т-620 (РЖС 50) повышает их износостойкость в 2,2 раза по сравнению с износостойкостью штампованных пальцев из стали 110Г13.

В результате эксплуатационных испытаний установлено также, что черпаковые пальцы, восстановленные твердыми наплавочными материалами, по износостойкости практически одинаковы с износостойкостью черпаковых деталей, отлитых из предложенных сталей: Г12ХЗЛ, Г12ТЛ и Г12Ф2Л, что свидетельствует о высоких противоизносных свойствах стали 1 ЮГ 13 легированной карбидообразующими элементами для условий, в которых работают детали черпаковых цепей земснарядов.

После натурных испытаний на рабочей поверхности пальцев износ отсутствовал (рис. 8, а). Установлено, что борирование черпаковых пальцев с грубой поверхностью после ковки, несмотря на предварительную обработку на пескоструйных установках, не снижает износ деталей.

Боридный слой (РсВ, БегВ и «г р-р В в Ре)

Эвтектоидная зона

1000 2000 кг/мм2^'5 41-01

Микротвердость Нм

Рис. 9. Микроструктура (хЮО) (а) и микротвердость (б) поверхности образцов из стали 45 (6), борированных в расплаве буры при 950 °С, плотности тока 3 А/см2 в течение 4 ч

Специальные опыты по исследованию влияния термической и химико-термической обработки на износ деталей, работающих при больших удельных давлениях и небольших скоростях возвратно-вращательного движения в условиях сухого и полусухого трения (давление 7,5 кг/мм2, скорость - 0,05 м/сек) показали, что при точной сборке и высокой шероховатости сопряженных деталей достаточно надежной защитой от схватывания является не только борирование, но также и цианирование, сульфоцианирование, цементация и другие виды химико-термической обработки. Борирование черпаковых пальцев по сравнению с прочими видами химико-термической обработки имеет заметное преимущество в стойкости против чисто абразивного изнашивания. Таким образом, упрочнение черпаковых деталей химико-термической обработкой, например поверхностным электролизным борированием, можно рекомендовать как прогрессивный метод для широкого производственного внедрения. Однако при этом необходимо выполнить следующие условия: 1) рабочие поверхности черпаковых деталей должны иметь достаточную шероховатость поверхности (Кг< 20 мкм); 2) после сборки деталей зазоры в сопряжении должны быть минимальными; 3) под тонким слоем, полученным при химико-термической обработке, должен присутствовать значительный по глубине (не менее 5 мм) твердый подслой металла, имеющий твердость не ниже НЫС 40. При электролизном борировании черпаковые детали необходимо изготовлять из стали 45 с последующей закалкой. После объемной закалки во избежание хрупкого откола головок черпаковых пальцев следует производить их доотпуск газовой горелкой при одновременном охлаждении стержня пальца водой.

При оценке целесообразности применения борирования следует учитывать, что стоимость изготовления борированного пальца из конструкционной углеродистой стали на 30 % ниже стоимости изготовления штатного пальца из стали 110Г13.

3. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выявлены причины возникновения эрозии рабочих устройств земснарядов и предложена структрно-энергетическая модель надёжности материалов и защитных покрытий, позволяющая прогнозировать износостойкость и долговечность деталей при различных видах эрозии в неоднородных жидких средах, различных по составу и структуре.

2. Обоснован выбор лабораторных установок для эрозионных испытаний материалов и покрытий. Рассмотрено устройство и условия испытаний образцов на установках лоткового типа для гидроабразивного изнашивания в виде вращающихся цилиндров и наковальни с абразивной лентой — для ударноабразивного изнашивания и в виде камеры с затопленной высоконапорной струёй - для испытаний на гидроэрозию.

3. Разработана методика согласования рабочих характеристик и наружного диаметра Б2 рабочего колеса грунтовых насосов земснарядов, реализация которой на практике, например: за счет обтачивания Дг до О-.0", в несколько раз снижает скорости местного изнашивания рабочих колёс и облицовок.

4. Выявлены основные причины низкой надёжности деталей шарнирного соединения черпаковой цепи земмашин и предложены эффективные способы повышения их работоспособности. Эффективность упрочнения поверхности черпаковых пальцев из углеродистых сталей ст.5 и стали 45 вместо стали 1 ЮГ 13 электролизным борированием в расплаве буры оказалось достаточно высокой при условии обработки поверхности пальцев перед ХТО (химико-термической обработка) до Яг < 20 мкм и создания под борированным слоем твёрдого подслоя за счёт термообработки.

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ, СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ИЗДАНИЯМ В СПИСКЕ ВАК РФ

1. Донских Д.Ф., Погодаев Л.И. Методика оценки эрозионной стойкости металлов по энергетическому критерию. // Проблемы машиностроения и надёжности машин РАН. — № 2, — 2011. — С. 45-52.

2. Донских Д.Ф., Погодаев Л.И. Надёжность деталей шарнирного соединения черпаковой цепи земснарядов. // Трение, износ и смазка в машинах и механизмах. — № 4,2011. — С. 40-48.

3. Донских Д.Ф., Погодаев Л.И. Способы повышения надёжности шарнирного соединения черпаковой цепи земснарядов. // Проблемы машиностроения и надёжности машин РАН. - № 6,2011. — С. 36-43.

4. Донских Д.Ф., Ежов Ю.Е. Износостойкость сталей и деталей земснарядов при абразивном изнашивании поверхности электролизным борированием. // Проблемы машиностроения и надёжности машин РАН. — №4,2011.-С. 64-69.

Публикации по теме диссертации в других журналах

5. Донских Д.Ф., Матвеевский О.О. Снижение интенсивности кавитации за счет увеличения релаксирующих свойств жидкостей, использования эмульсий и покрытий. // Трение, износ, смазка. - Т. 10, № 1, 2008. - С. 48-55.

6. Донских Д.Ф., Третьяков Д.В. Методы оценки критических скоростей, давлений и других параметров, определяющих надёжность материалов при гидроударе. // Надёжность судовых технических средств, конструкционных материалов и покрытий. — СПб. Издательство «Парком». -2008 - С. 50-65.

7. Донских Д.Ф. Некоторые способы, снижения скорости абразивного изнашивания деталей земснарядов. // Трение, износ, смазка. - Т. 14, № 47, 2011.-С. 5-8.

8. Донских Д.Ф. Моделирование долговечности деталей грунтовых насосов при гидроабразивном и кавитационном изнашивании. // Трение, износ, смазка. - Т. 14, № 47,2011. - С. 9-14.

9. Донских Д.Ф. Оценка относительной износостойкости высоколегированных наплавочных материалов по энергетическому критерию для защиты деталей грунтовых насосов от гидроабразивного изнашивания. // Трение, износ, смазка. - Т. 12, № 42,2010. - С. 4-15.

10. Донских Д.Ф. Повышение долговечности деталей шарнирных соединений многочерпаковых снарядов. // Трение, износ, смазка. — Т. 13, №44,2011.-С. 13-15.

11. Донских Д.Ф. Износостойкость сталей и деталей земснарядов при абразивном изнашивании, упрочнённых поверхностным электролизным борированием. // Трение, износ, смазка. - Т. 13, № 45,2010. - С. 5-11.

12. Донских Д.Ф. Определение износостойкости металлических материалов по диаграммам твёрдости. // Трение, износ, смазка. - Т. 13, № 45, 2010.-С. 29-35

13. Донских Д.Ф., Матвеев Ю.Н. Прогнозирование остаточного ресурса цилиндровых втулок судовых двигателей внутреннего сгорания. // Трение, износ, смазка. - Т. 13, № 43,2010. - С. 5-8.

14. Донских Д.Ф. О взаимосвязи структурно-энергетических критериев с эрозионной стойкостью металлов. // Трение, износ, смазка. — Т. 13, № 45, 2010.-С. 35-43.

15. Донских Д.Ф. Оценка износостойкости металлов по энергетическому критерию. // Трибология и надёжность. Труды X международной конференции СПб.: Государственный университет путей сообщения.-2010.-С. 145-151.

16. Донских Д.Ф. Бессмертный Д.Э. Пути модернизации технологического оборудования многочерпаковых земснарядов. // Трение, износ, смазка. - Т. 14, № 46,2011. - С. 5-10.

17. Донских Д.Ф. Износостойкость деталей дноуглубительных земснарядов.//Трение, износ, смазка. - Т. 14,№44,2011.-С. 15-25.

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 01.03.12 Сдано в производство 01.03.12 Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1. _Тираж 60 экз._Заказ № 28_

Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Отпечатано в типографии ФБОУ ВПО СПГУВК 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

Введение

1. Условия эксплуатации судового оборудования и моделирование основных процессов изнашивания деталей

1.1. Необходимость борьбы с гидро-абразивным износом деталей земснарядов

1.2. Особенности эксплуатации земснарядов

1.3. Выводы по 1 главе

2. Защита грунтовых насосов от изнашивания ведущих деталей за счёт использования легированных сплавов

2.1. Некоторые условия использования легированных сплавов

2.2. Применение хромоникелевых сталей

2.3. Применение хромомарганцевых сталей

2.4. Технология изготовления литых деталей грунтонасосов

2.5. Выводы по 2 главе

3. Структурно-энергетическая модель гидроабразивного изнашивания материалов

3.1. Стенды для испытаний материалов и покрытий на износ

3.2. Исходная модель контактного взаимодействия

3.3. Единичный объём наклёпанного металла

3.4. Уравнение гидроабразивного изнашивания

3.5. Влияние на износ крупности абразивных частиц

3.6. Влияние на износ угла атаки абразивных частиц

3.7. Влияние на износ скорости удара абразивных частиц

3.8. Оценка эрозионной стойкости сталей и сплавов по энергетическому критерию

3.9. Соотношение между коэффициентом износостойкости металлов при абразивной и кавитационной эрозии с учётом жесткости напряженного состояния поверхности

3.10. Выводы по 3 главе

4. Моделирование процессов вихреобразования в вихревых насосах

4.1. Влияние режимов работы и структуры двухфазного потока на гидроабразивный износ грунтовых насосов

4.2. Метод снижения интенсивности изнашивания ведущих деталей грунтовых насосов

4.3. Выводы по 4 главе

5. Надёжность деталей шарнирного соединения черпаковой цепи земснарядов

5.1. Введение

5.2. Износостойкость пальцев из стали 1 ЮГ 13 с добавлением хрома, ванадия и титана

5.3. Наплавка черпаковых деталей

5.4. Упрочнение черпаковых пальцев термической и химико-термической обработкой

5.5. Упрочнение пальцев пластическим деформированием

5.6. Износостойкость сталей и деталей земснарядов при абразивном изнашивании, упрочнённых поверхностным электролизным борированием

5.7. Выводы по 5 главе 132 Общие выводы 134 Список библиографических источников

В диссертации рассмотрены вопросы надёжности ведущих деталей рабочих устройств (РУ) судов технического флота (СТФ), подвергающихся в эксплуатационных условиях высоким давлениям, динамическому воздействию со стороны неоднородных коррозионно-активных внешних (рабочих) сред и, как следствие, - весьма интенсивному изнашиванию деталей, скорость которого в ряде случаев превышает 0,1 мм/ч, что приводит к потере работоспособности РУ и к выводу СТФ из эксплуатации. Приведены результаты аналитического и лабораторного (на стендах) моделирования процессов изнашивания РУ и натурных испытаний широкого круга металлических материалов и покрытий (износостойких наплавок, электролизного борирования образцов и деталей РУ). Исследованы критерии износостойкости материалов и покрытий; предложены методы расчетной оценки долговечности оборудования по энергетическим критериям.

Актуальность работы. В настоящее время обеспечение достаточной надёжности оборудования машин и механизмов в различных отраслях народного хозяйства РФ представляет собой проблему государственной важности. Это связано во многих случаях с аварийными ситуациями, возникающими при эксплуатации разнообразных технических средств и оборудования, исчерпавших свой ресурс вследствие старения материалов и конструкций, а также из-за предельного изнашивания ответственных деталей.

Последнее в полной мере относится к техническим средствам в гидротехническом гражданском, промышленном и дорожном строительстве, при добыче и перегрузке нерудных строительных материалов и в ряде других случаях, когда ответственные детали машин и механизмов подвергаются воздействию абразивных сред. Так, например, рабочие устройства судов технического флота, а именно: детали многочерпаковых земснарядов, землесосов и гидроперегружателей в процессе эксплуатации подвергаются интенсивной гидроабразивной, а в ряде случаев и кавитационной эрозии.

Цель работы. Основной целевой установкой диссертации является прогнозирование долговечности и повышение надёжности быстроизнашивающихся деталей судовых технических средств (грунтовых насосов землесосных снарядов и черпаковых цепей многочерпаковых земмашин), в наибольшей степени определяющих эффективность их эксплуатации при воздействии гидроабразивных сред, например, при выполнении дноуглубительных работ. Применение обобщенных структурно-энергетических моделей эрозионной стойкости материалов и покрытий к условиям эксплуатации рабочих устройств судов технического флота.

Алгоритм достижения основной цели предполагает последовательное решение частных задач:

• Выявление условий (причин) возникновения эрозии рабочих устройств земснарядов и анализ характера изнашивания ведущих деталей;

• Обоснование выбора лабораторных стендов, адекватно отражающих условия работы рабочих устройств земснарядов и особенности изнашивания ведущих деталей;

• Создание исходной структурно-энергетической модели гидро- и ударно-абразивной эрозии металлических материалов и наплавок, учитывающей параметры внешнего воздействия (крупность, скорость, угол атаки и концентрацию абразивных частиц в абразивной среде) и свойства изнашиваемых материалов, представленные энергетическим критерием в виде критической плотности потока энергии деформации И^р;

• Выявление основных причин низкой надёжности деталей шарнирного соединения черпаковой цепи земмашин и апробирование способов повышения их работоспособности: наплавкой, химико-термической обработкой, заменой аустенитной стали 110Г13 на легированные конструкционные с упрочняющей термообработкой, заменой кованых черпаковых пальцев на литые.

• Установление взаимосвязи между относительной износостойкостью металла при гидроабразивном (ГАИ) и ударно-абразивном (УАИ) изнашивании, а также при гидроэрозии с учётом жесткости напряженного состояния поверхности;

Перечисленные выше частные задачи полностью охватывают общую задачу. Их решение будет во многом способствовать успешной реализации намеченных планов по решению сложных технических, транспортных, экологических и ряда сопряженных с ними проблем государственной важности.

Что касается необходимости выполнения огромного объёма дноуглубительных работ в устье р. Волги, то детально рассматривая общую проблему, можно полагать, что успешное выполнение этих работ будет во многом зависеть от надёжности устройств технического флота, в частности: от долговечности деталей, например, рабочих колёс, грунтовых насосов землесосных снарядов и от работоспособности деталей шарнирного соединения черпаковой цепи многочерпаковых земашин, в частности - от износостойкости черпаковых пальцев.

Объектом исследования диссертации являются суда технического флота и их элементы (детали шарнирного соединения черпаковой цепи и грунтовых насосов, черпаки, барабаны, роульсы, разрыхлительные устройства, пульпопроводы).

Предметом исследования диссертации являются рабочие устройства судов технического флота, методы повышения их долговечности и обеспечение необходимого уровня надёжности.

Методы исследований. В методическом плане диссертационную работу можно разделить на несколько частей. В аналитической части приведены результаты моделирования процессов гидро - и ударно-абразивного изнашивания, а также кавитационной эрозии на основании обобщенного структурно-энергетического подхода, учитывающего основные факторы внешнего энергетического (и силового) воздействия на рабочие поверхности образцов (деталей) и комплекс свойств изнашиваемых материалов в виде критической плотности потока энергии деформации, достаточной для образования продуктов изнашивания.

Частные аналитические модели, вытекающие из общих структурно-энергетических моделей надёжности материалов (сталей, наплавок, газотермических и других покрытий), сопоставлялись с данными экспериментов и натурных испытаний образцов, деталей и отдельных рабочих устройств. Структурно-энергетический подход использовался не только при моделировании надёжности материалов и покрытий, но и при оценке эрозионной активности жидких гетерогенных сред, в частности, при моделировании вихревой структуры потоков в межлопастных каналах рабочих колёс грунтовых насосов, где теоретические методы исследований сочетались с экспериментальными.

Экспериментальные исследования выполнялись на лабораторных установках, воспроизводящих: гидроабразивное изнашивание деталей (установка лоткового типа); ударно-абразивную эрозию (установка с вращающимися цилиндрами и ударно-эрозионный стенд); трение скольжения с. абразивной прослойкой (стандартные машины трения СМЦ-2 и ИИ-5088). При анализе особенностей общей физической модели надёжности материалов и деталей рабочих устройств земснарядов использованы методы макроанализа, количественной металлографии, оптической микроскопии и микромеханических испытаний. При разработке технологических процессов восстановления деталей наплавкой и внедрения в производство деталей из легированных сталей использовали методы макроанализа и технологические пробы.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов, содержащихся в диссертации, подтверждается результатами экспериментов, выполненных на лабораторных установках и на действующих земснарядах, а также удовлетворительной сходимостью расчетной износостойкости и долговечности ведущих деталей грунтовых насосов землесосов и многочерпаковых земснарядов (рабочих колёс и черпаковых пальцев соответственно) с показателями их надёжности в условиях эксплуатации.

Достоверность положительных результатов исследований на стадии внедрения подтверждается также сопоставлением фотографий штатных и модернизированных деталей, изготовленных из новых материалов и упрочнённых по разработанным технологиям. Все научные положения, практические выводы аргументированы и обоснованы фундаментальными принципами и положениями трибологии и структурно-энергетической теории надёжности.

На защиту выносятся:

- технологический процесс электролизного борирования черпаковых пальцев земснарядов и результаты оценки их надёжности на стендах и в натурных условиях;

- метод оценки надёжности материалов и покрытий по энергетическому критерию;

- зависимости эрозии деталей от совокупности характеристик неоднородных гидроабразивных сред, геометрии деталей, рабочих параметров механизмов и от комплексного энергетического критерия;

- структурно-энергетические модели надёжности быстроизнашивающихся деталей и рабочих устройств земснарядов.

Научная новизна работы. В результате использования структурно-энергетического подхода впервые получены модели надёжности компактных материалов, наплавок и покрытий, наиболее полно учитывающие условия нагружения деталей, рабочие характеристики механизмов и прочностные и пластические свойства изнашиваемых объёмов деталей, представленных новым энергетическим критерием при абразивной и кавитационной эрозии с учётом жёсткости напряжённо-деформированного состояния поверхностей.

Разработанные структурно-энергетические модели позволяют оценить влияние на эрозионную стойкость деталей не только структуры материалов и покрытий на различных масштабных уровнях внешнего воздействия, но и структурные особенности неоднородных жидких сред, например, интенсивность вихреобразования и размеры вихрей, вызывающих интенсивное местное изнашивание.

Практическую ценность в работе представляют:

• Результаты оптимизации технологических режимов поверхностного электролизного борирования черпаковых пальцев из углеродистой стали и данные по оценке работоспособности крупной серии пальцев после химико-термической обработки в условиях эксплуатации.

• Многочисленные опытные данные по относительной износостойкости широкого круга материалов, наплавок и покрытий при различных видах эрозии в неоднородных средах.

• Разработанный расчётный метод оценки надёжности материалов и покрытий по их энергоёмкости при различных разновидностях эрозии.

• Соотношения для пересчёта относительной износостойкости материалов при одном виде изнашивания на другой, например, по известному ряду износостойкости материалов при гидроабразивной эрозии - формулы для построения ряда стойкости этих материалов при ударно-абразивном изнашивании, гидроэрозии и коррозии.

• Предложена низколегированная хромомарганцевая сталь для изготовления рабочих колёс грунтовых насосов, обеспечивающая после нормализации в 2.2,5 раза более высокую износостойкость и долговечность деталей.

• Предложены марки аустенитной марганцевой стали, дополнительно легированной хромом, ванадием и титаном, для изготовления литых черпаковых пальцев вместо штатных кованых из стали 1 ЮГ 13, не обладающих достаточной износостойкостью, особенно в начале работы в черпаковой цепи, из-за наличия дефектного поверхностного слоя, обусловленного выгоранием углерода и марганца при многократных нагревах в процессе ковки.

• Износостойкие высоколегированные материалы с аустенитно-мартенситно-карбидной структурой для наплавки рабочих колёс грунтовых насосов, уплотнительных дисков, черпаков, нижнего барабана и других деталей земснарядов.

Реализация результатов работы. Исследование работоспособности и внедрение в производство модернизированных рабочих устройств земснарядов выполнялось в различные периоды времени на земснарядах Волжского ОРП'а, Ленинградского речного порта и морской пристани, треста «Севзапморгидрострой», на з/с: ГДУ-1, «Северо-Западный-16», «Волжский-36», «Литер-Д», «Московский-2» и на других объектах.

Методика расчета долговечности деталей грунтовых насосов путём согласования геометрии быстроизнашивающихся деталей и рабочих характеристик грунтонасосных установок внедрена в учебный процесс СПГУВК в виде курсовой работы, выполняемой студентами механической специальности в процессе освоения дисциплины Надёжность судового оборудования.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Республиканских, городских и расширенных вузовских научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и научных работников СПГУВК; на 9 и 10 Международных научных конференциях

Трибология и надёжность - 2009 и 2010» (СПб, ПГУПС); на 4-ом Международном симпозиуме «Транстрибо - 2010» (СПб, ПГТУ); на 12-ой Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта оборудования» (СПб, ПГТУ, «Плазмацентр - 2010»),

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 17 печатных работах, из которых 4 соответствуют списку ВАК РФ.

Структура и объёмы работы. Диссертация представлена в форме рукописи, состоящей из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных литературных источников из 66 наименований. Материал изложен на 141 странице машинописного текста, включающего 42 рисунка и 19 таблиц.

Материалы изложены в диссертации разделены на две части. В первой части моделируются процессы гидроабразивного изнашивания различных материалов, применительно к условиям работы быстроизнашивающихся деталей снарядов.

Для оценки эрозионной стойкости наплавок и газотермических (плазменных) покрытий предложен энергетический критерий, представляющий собой критическую плотность потока энергии деформации.

Вторая часть диссертационной работы посвящена проблеме повышения износостойкости черпаковых деталей земснарядов. К этим относятся соединительные пальцы черпаковой цепи, втулки в черпаках и кольца в звеньях цепи, работающие в условиях истирания, смятия и ударных нагрузок в присутствии абразивной прослойки на рабочих поверхностях сопряженных деталей.

Применительно к условиям работы шарнирного соединения черпаковой цепи земснарядов разработана обобщённая структурно-энергетическая модель надёжности сопряжений деталей.

Общие выводы

1. Выявлены причины возникновения эрозии рабочих устройств земснарядов и предложена структрно-энергетическая модель надёжности материалов и защитных покрытий, позволяющая прогнозировать износостойкость и долговечность деталей при различных видах эрозии в неоднородных жидких средах, различных по составу и структуре.

2. Обоснован выбор лабораторных установок для эрозионных испытаний материалов и покрытий. Рассмотрено устройство и условия испытаний образцов на установках лоткового типа для гидроабразивного изнашивания в виде вращающихся цилиндров и наковальни с абразивной лентой - для ударноабразивного изнашивания и в виде камеры с затопленной высоконапорной струёй - для испытаний на гидроэрозию.

3. Разработана методика согласования рабочих характеристик и наружного диаметра 02 рабочего колеса грунтовых насосов земснарядов,

0'0ПТ несколько раз снижает скорости местного изнашивания рабочих колёс и облицовок.

4. Выявлены основные причины низкой надёжности деталей шарнирного соединения черпаковой цепи земмашин и предложены эффективные способы повышения их работоспособности. Эффективность упрочнения поверхности черпаковых пальцев из углеродистых сталей ст.5 и стали 45 вместо стали 110Г13 электролизным борированием в расплаве буры оказалось достаточно высокой при условии обработки поверхности пальцев перед ХТО (химико-термической обработка) до Яг < 20 мкм и создания под борированным слоем твёрдого подслоя за счёт термообработки.

1. Арефьев H.H. Энергетические возможности грунтозабора погружными насосами. / H.H. Арефьев // Научн. тр., Нижегородский ИИВТ, 1992. Вып. 265. С. 39-41.

2. Аристов Ю.К. Ремонт оборудования дноуглубительных снарядов. М., издательство «Транспорт». 1966.

3. Бессмертный Д.Э., Донских Д.Ф. Пути модернизации технологического оборудования многочерпаковых земснарядов. // Трение, износ, смазка (www.tribo.ru). Т. 13, № 46, 2011.-С. 5-11.

4. Борщевский Ю.Т., ПогодаевЛ.И. Повышение эффективности землесосных снарядов. Киев: «Буд1вельник». 1974. 274 с.

5. Борщевский Ю.Т., Федоткин И.М., Погодаев Л.И. Повышение эффективности землесосных снарядов. Киев: «Буд1вельник». 1974. 247 с.

6. Богачев И.Н. и Минц Р.И. Повышение кавитационно-эрозионной стойкости деталей машин. М., издательство «Машиностроение», 1964.

7. Вайскранц В.М. Наплавка зубьев ковшей и повышение производительности землеройных машин. «Строительные и дорожные машины», 1967, № 6.

8. Варламов Н. и Собственников А. Износ деталей черпаковой цепи. -«Речной транспорт», 1969, № 4.

9. Ю.Волков Ю.В., Волкова З.А. и Кайгородцев Л.И. Долговечность машин, работающих в абразивной среде. М., издательство «Машиностроение», 1964.

10. Григоркин В.И. и Коротушенко Г.В. Свойства аустенитной марганцовистой стали, легированной карбидообразующими элементами. «Металловедение и термическая обработка металлов», 1966. № 10.

11. Донских Д.Ф. Повышение долговечности деталей шарнирных соединений многочерпаковых снарядов. // Трение, износ, смазка, 2010. Том 13. №44.-С. 14-15.

12. З.Донских Д.Ф. Износостойкость сталей и деталей земснарядов при абразивном изнашивании поверхности электролизным борированием. // Пробл. машиностроения и надёжности машин РАН, № 4 2011. С. 64-69.

13. Донских Д.Ф. Износостойкость сталей и деталей земснарядов при абразивном изнашивании, упрочнённым поверхностным электролизным борированием. // Трение, износ, смазка (www.tribo.ru), Т.13, № 45, 2011. -С. 5-11.

14. Донских Д.Ф., Погодаев Л.И. Способы повышения надёжности шарнирного соединения черпаковой цепи дноуглубительных снарядов. Трение, износ, смазка (www.tribo.ru), Т. 13, № 44, 2010. С. 15-27.

15. ЕжовЮ.Е. Совершенствование технологии ремонта и прогнозирование износостойкости рабочих устройств судов технического флота. Автореф. Канд. Дисс. Л.: ЛИВТ. 1991 28 с.

16. Иванов В.А., Лукин Н.В., Разживин С.Н. Суда технического флота. М.: Транспорт, 1980. 365 с.

17. Картышов A.B. Гребные винты из хромомарганцевой стали. JL, изд-во «Судостроение», 1969. // Картышов A.B., Пенкин Н.С., Погодаев Л.И. Износостойкость деталей земснарядов. Л.: Машиностроение, 1972. -160 с.

18. Картышов A.B., Пенкин Н.С., Погодаев Л.И. Износостойкость деталей земснарядов. М. -Л.: Машиностроение. 1972. 160 с.

19. Козырев С.П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации. М. изд-во «Машиностроение», 1964.

20. Красицкий А.П. и Голубев П.В. Снижение стоимости ремонта черпакового устройства. «Речной транспорт», 1967, № 9.

21. Ленайчук Е.И. Электродуговая наплавка деталей при абразивном и гидроабразивном износе. Киев. Наукова думка. 1985. 165 с.

22. Леонтьев Л.Б. Технологический процесс восстановления деталей как объект системного исследования // Вестник морского университета. Сер. «Судостроение и судоремонт». Владивосток: Мор. гос., ун-т, 2005. ^ С. 51-63.

23. Мелихов В.В. Непрерывная электрошлаковая наплавка и износостойкость биштатных мельниц; Автореф. дис. канд. тех. наук. Ташкент, 1966.

24. Нехедзин Ю.А. Стальное литьё. М., Металлургиздат.

25. Парфёнов Л.И., Сорокин Г.А. Структура и износостойкость стали Г13Л. // М и ТОМ, 1969, № 1. с. 32-36.

26. Пат. 67120 Российская Федерация, ПМК E02F3/88 (2006.01). Грунтозаборное устройство земснаряда Текст. / Арефьев H.H.; заявитель и патентообладатель Арефьев H.H. (RU) № 2007107822/22; заявл. 01.03.2007; опубл. 10.10.2007, Бюл. №28.

27. Пат. 76930 Российская Федерация, МПК E02F3/88 (2006.01). Грунтозаборное устройство земснаряда Текст. / Арефьев H.H.; заявитель и патентообладатель Арефьев H.H. (RU) № 2008121579/22; заявл. 28.05.2008; опубл. 10.10.2008, Бюл. №28.

28. Пенкин Н.С. Гуммирование деталей машин. М.: Машиностроение. 1977. -256 с.

29. Петров В.М. Возможность применения восстанавливающих антифрикционных препаратов в ремонтных технологиях / Современное машиностроение: Сборн. научн. трудов. Вып. 5. СПб: НИМАШ, 2003. С 191-194.

30. Повышение качества отливок из сталей Г13Л. Под. ред. И.Р. Крянина. М.: Машгиз, 1963, 325 с.

31. Погодаев Л.И., Богданов Г.Е. Повышение износостойкости черпаковых деталей земснарядов. Технология судостроения и судоремонта. М. «Транспорт». Вып. 64, 1967. С. 31-37.

32. Погодаев Л.И., Кузьмин A.A. Структурно-энергетические модели надёжности материалов и технических средств: учебн. пособие. СПб.: СПГУВК, 2010.- 123 с.

33. Погодаев Л.И., Аристов Ю.К. Методы повышения долговечности деталей сочленения черпаковой цепи земснарядов. Техническая эксплуатация флота. Судоремонт. Вып. 64, 1967. С. 25-32.

34. Погодаев Л.И., Шевченко П.А. Гидроабразивный и кавитационный износ судового оборудования. Л.: Судостроение. 1984. -254 с.

35. Погодаев Л.И., Лукин Н.В. Режимы работы и долговечность деталей земснарядов. М.: «Транспорт». 1990. - 192 с.

36. Погодаев Л.И., Голубев Н.Ф. Теория и практика прогнозирования износостойкости и долговечности материалов и деталей машин. СПб: СПГУВК, 1997.-445 с.

37. Погодаев Л.И., Кузмин A.A. Эрозия материалов и судовых технических средств в неоднородных жидких и газообразных средах. СПб.: СПГУВК, 2004.-237 с.

38. Погодаев Л.И., Кузмин В.Н. Структурно-энергетические модели надёжности материалов и деталей машин. СПб.: Академия транспорта РФ. 2006, 608 с.

39. Погодаев Л.И., Донских Д.Ф. Некоторые закономерности эрозии наплавок. Материалы междунар. научно-технич. конф. к 120-летию со дня рождения М.М. Хрущова., Москва: ИМАШ им. A.A. Благонравова РАН, 2010.-С. 45.

40. Погодаев Л.И., Донских Д.Ф. О взаимосвязи структурно-энергетических критериев с эрозионной стойкостью металлов. Трение, износ, смазка (www.tribo.ru), Т. 13, № 45, 2010. С. 35-43.

41. Погодаев Л.И., Донских Д.Ф. Методика оценка эрозионной стойкости металлических материалов по энергетическому критерию. Трение, износ, смазка (www.tribo.ru), Т. 13, № 45, 2010. С. 29-35.

42. Погодаев Л.И., Донских Д.Ф. Методика оценки эрозионной стойкости металлов по энергетическому критерию. Пробл. машиностроения и надёжности машин РАН, № 2, 2011. С. 45-52.

43. Погодаев Л.И., Донских Д.Ф. Надёжность деталей шарнирного соединения черпаковой цепи земснарядов. Трение, износ и смазка в машинах и механизмах. № 4, 2011. С. 40-48.

44. Погодаев Л.И., Донских Д.Ф. Способы повышения надёжности шарнирного соединения черпаковой цепи земснарядов. Пробл. машиностроения и надёжности машин РАН, № 6, 2011. С. 36-43.

45. Сатель Э.А., Пунков Е.И. Упрочнение металлов взрывом за рубежом. «Вестник машиностроения», 1964, № 6. С. 35-38.

46. Силин H.A. Гидротранспорт. Киев: Наукова думка, 1971.

47. Супрун В.К. Абразивный износ грунтовых насосов и борьба с ним. М.: Машиностроение. 1972.

48. Тененбаум М.М. Сопротивление абразивному изнашиванию. М.: Машиностроение. 1976. 272 с.

49. Тушинский Л.И. и др. Упрочнение высокомарганцовистой стали совмещенной термомеханической обработкой. Труды совещания по ТМО. М.: ВНИИЧМ, 1964. С. 55-59.

50. Упрочнение взрывом аустенитной стали с 12 % марганца. Экспресс-информация. Металловедение и термообработка. М.: ВИНИТИ, 1962, № 40, реф. 138.

51. Фёдоров В.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твёрдых тел. Ташкент. Фан, 1985.- 168 с.

52. Фёдоров С.В. Разработка научных основ энергетического метода совместимости стационарно нагруженных трибосистем. Дисс. на соискание учёной степени д.т.н., М. ВНИИЖТ. 1996.

53. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Исследование влияния твёрдости абразивных частиц на изнашивание материалов. Износ и антифрикционные свойства материалов. М., изд-во «Наука». 1968.

54. Чекренев А.И. Дноуглубление. М., изд-во «Транспорт», 1967. Шапошников Н.А. Механические испытания материалов. М. JL, Машгиз. 1954.

55. Чулкин С.Г. Прогнозирование долговечности трибосопряжений на основе структурно-энергетической концепции изнашивания. . Дисс. докт. техн. наук. СПб.: СПГУВК, 1999.

56. Шкундин Б.М. Землесосные снаряды. М. изд-во «Энергия», 1968.

57. Юфин А.П. Гидромеханизация. М., Стройиздат, 1965.

58. Kaczynski R., Pogodaev L.I. Structure-energy criterion of the wear resistance of metals and alloys with allowance for the stiffness of the stressed-strained state of the surface. Industrial Lubrication and Tribology, Vol. 58 No. 4, 2006.

59. Leontyev L., Makarenkov A. The raising of mechanic characteristics of grey iron by means of surface plastic deforming // Кораблестроение и океанотехника. Проблемы и перспективы: Материалы международной конференции Владивосток: ДВГТУ, 2001. С. 381-386.