автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка технологии и оборудования для восстановления работоспособности быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов

Бабаевский Александр Николаевич

Разработка технология к оборудованы для восстановления работоспособности быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов

05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород-2005 г.

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.

Шухова

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

АА. Погонин

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки РФ, заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

Л.Г. Одинцов Д. Мочалов

Ведущая организация:

ОАО «Осколцемеш»

Защита диссертации состоится 17 марта 2005 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.140.02 при МГТУ «МАМИ» (107023, г. Москва, ул. Б. Семеновская, д. 38)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке МГТУ «МАМИ»

Автореферат разослан 11 февраля 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Ершов М.Ю.

В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эксплуатация мостовых кранов специального назначения предприятий сопровождается интенсивным комплексным износом (абразивный, коррозионно-механический, усталостный и адгезионный) их основных функциональных деталей -ходовых колес, тормозных шкивов, блоков полиспастов. Высокая степень износа данных деталей повышает риск преждевременного внезапного выхода из строя мостового крана, как объекта повышенной опасности.

Восстановление работоспособности быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов является актуальной задачей для большинства предприятий, эксплуатирующих данные краны, ввиду экономической целесообразности. При этом повышение надежности восстанавливаемых деталей увеличением их износостойкости в этой задаче стоит на первом месте.

Среди множества известных методов восстановления и упрочнения поверхностей требуемые свойства обеспечиваются как нанесением защитного покрытия, так и преобразованием поверхностного слоя металла с помощью химических, физических, механических методов, диффузионного насыщения, химико-термической обработкой.

Быстроизнашивающиеся детали мостовых кранов отличаются высоким уровнем износа рабочих поверхностей, а в условиях цементного производства этот износ носит к тому же исключительный характер, и технология восстановления работоспособности деталей должна обладать определенной гибкостью и маневренностью для каждого частного случая ввиду многочисленных факторов, определяющих вид, интенсивность и градиент износа.

В настоящее время существуют попытки систематизировать и обобщить накопленный опыт в области ремонтных работ для решения вышеобозначенной задачи в промышленных условиях, но они носят отрывчатый характер и имеют незаконченный вид. Совершенной технологии восстановления работоспособности быстроизнашивающихся деталей, учитывающей влияние разносторонних факторов технологического процесса, получить не удалось.

Данная работа направлена на всестороннее исследование процесса износа деталей кранов; разработку оптимальной технологии износостойкой наплавки и механической обработки этих деталей с целью увеличения срока их службы и повышения надежности кранов; разработку автоматической наплавочной установки, обеспечивающей реализацию данной технологии.

Рабочая гипотеза. Получение требуемых механических свойств рабочих поверхностей деталей на основании расчета модели распределения температурных полей и структурно-фазовых превращений металла при наплавке под флюсом с последующей механической обработкой точением, оптимизированной на базе основных положений теории резания.

Цель работы. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработать технологию восстановления рабочих поверхностей быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов в стационарных условиях на территории эксплуатирующего мостовые краны предприятия и автоматическую установку для износостойкой наплавки, реализующую эту технологию и новую инженерную методику восстановления.

Научная новизна работы. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлены аналитические и эмпирические зависимости, устанавливающие связь между режимами наплавки и количественными характеристиками качества наплавляемых слоев, на основании которых разработана технология восстановления рабочих поверхностей быстроизнашивающихся деталей; разработана новая инженерная методика восстановления быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов; разработана автоматическая наплавочная установка, реализующая данную методику; определена эмпирическая зависимость величины твердости от технологических факторов процесса наплавки при восстановлении.

Объекты исследований. Процессы, протекающие при восстановлении деталей электродуговой наплавкой под флюсом и оказывающие влияние на соблюдение требований эксплуатации этих деталей; процессы формирования макро- и микрогеометрии рабочих поверхностей при обработке резанием; оборудование для восстановления.

АВТОР защищает:

1. Теоретические исследования в области технологий и методик восстановления работоспособности и геометрии рабочих поверхностей массивных быстроизнашивающихся деталей сложной формы;

2. Технологию восстановления, полученную в результате оптимизации зависимостей параметров от факторов процесса восстановления;

3. Конструкцию автоматической наплавочной установки, реализующую оптимизированную технологию восстановления;

4. Инженерную методику восстановления с обеспечением необходимого качества и точности восстановленной поверхности.

Практическая ценность работы. Разработана технология и инженерная методика восстановления работоспособности

быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов и автоматическая наплавочная установка, реализующая данную технологию.

Внедрение результатов работы. Результаты работы апробированы и внедряются в опытно-промышленное производство на ЗАО «Белгородский цемент» и ОАО «Оскол-цемент».

Апробация работы. Результаты работы доложены и одобрены на международных конференциях в г. Белгород (2001, 2002, 2003 г.), на заседаниях научно-отраслевой лаборатории и кафедры «Технология машиностроения и робототехнические комплексы», работа имеет поддержку в виде гранта министерства образования РФ (приказ № 1479 от 8 апреля 2003 г.).

Публикации. По теме опубликовано 9 работ, получен приоритет на полезную модель от 20.02.2004 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения; пяти глав, выводов по работе, списка литературы, и 9 приложений, которые включают результаты теоретических исследований, программы оптимизации, схему управления и алгоритм рабочей программы автоматической наплавочной установки.

Общий объем диссертации 150 страниц, содержащих 84 рисунка и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы диссертации, указана научная новизна, практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Исходя из данных, полученных по анализу литературы, статистических данных следует, что один из основных путей сокращения времени ремонтных работ и их стоимости является восстановление формы и размеров рабочих поверхностей, а также повышение износостойкости быстроизнашивающихся деталей кранов.

Несмотря на интенсивные поиски решений обеспечения полного восстановления работоспособности быстроизнашивающихся деталей кранов с необходимой точностью на территории предприятий, в настоящее время не существует методики и устройства, отвечающих предъявленным к ним требованиям.

Дня определения направления поиска верного решения вышепоставленной задачи, было проведено исследование характера износа ходового колеса мостового крана, подверженного воздействию полного комплекса изнашивающих факторов.

Рис. I. Параметры изнашиваемых поверхностей.

В результате была получена зависимость величины износа рабочей поверхности колеса от пробега крана:

I

к

2-Я-5/И агсСт

Соз\аге&

h0^-Jl,■S

Я

где в - пробег крана; - износостойкость поверхности.

Анализируя зависимость (1) установлено, что тенденция износа рабочей поверхности практически линейна и срок работы колеса линейно зависит от износостойкости поверхности. Таким образом, очевидно, что добиться повышения продолжительности работы ходовых колес возможно путем получения на их поверхностях слоев с меньшей интенсивностью изнашивания, и, учитывая линейность протекания процесса изнашивания, технология восстановления работоспособности не требует коррекции конструкторско-технологическими мероприятиями, например, создания на поверхности многослойного градиентного поверхностного покрытия.

Выявлено, что наилучшим вариантом для восстановления работоспособности ходовых колес, а также других металлоемких деталей, является электродуговая наплавка под флюсом с последующей механической обработкой, а наилучшей конструкцией наплавочной установки будет та, которая позволит производить наплавочный процесс при соблюдении всех требований, предъявляемых к износостойким наплавкам.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1. Проверить возможность обеспечения требований, предъявляемых к

деталям в процессе эксплуатации, при восстановлении их по

выбранной схеме.

2. Исследовать процесс достижения заданной точности при восстановлении рабочих поверхностей с использованием данной схемы базирования.

3. Исследовать влияние распределения температурного поля при наплавке и термообработке на качество восстанавливаемого слоя.

4. На основе анализа проведенных исследований разработать и оптимизировать технологию наплавки и последующей механической обработки.

5. Спроектировать автоматическую наплавочную установку.

6. Разработать схему и алгоритм контроля процесса наплавки.

7. Разработать инженерную методику выполнения восстановительных работ с применением спроектированной установки.

8. Внедрить разработанную технологию и устройство в ремонтное производство предприятий.

Глава 2. Установлены параметры термических циклов и их предельные значения, ограничивающие применение наплавки для восстановления, т.к. они в значительной степени могут определять все процессы, протекающие в металлах при наплавке.

Определены основные факторы, оказывающие влияние на процесс наплавки быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов.

Из результатов решения уравнений температуропроводности установлено, что твердость и износостойкость наплавленных поверхностей зависит от параметров термических циклов наплавки.

где - плоский радиус-вектор, выражающий расстояние от

рассматриваемой точки до оси Ох; - эффективная тепловая

мощность источника тока при данном КПД ц, напряжении U и силе тока I; X -коэффициент теплопроводности; vH - скорость наплавки; т - время,

отсчитываемое с момента пересечения источником тепла плоскости в

которой расположена данная точка; а - коэффициент температуропроводности.

Гх.мм 1

Рис. 2. Термический цикл наплавки детали.

Установлены основные требования состава микроструктур наплавленного металла, соответствующего критерию «износостойкое покрытие». Износостойкий наплавленный металл по структурно-фазовому состоянию может быть мартенситным, мартенситно-карбидным, ферритно-карбидным, аустенитно-карбидным, ледебуритно-карбидным и со смешанными матрицами.

Для определения твердости металла в околошовном участке ЗТВ сварных соединений сталей с Ств =500... 1000 МПа используются следующие формулы:

* (3)

НУ=#„+-

-.тс+2ы-к (4)

Ir = ÍOgríoe_seo (5)

K = 269+ 454C-36 Si-79-Mn-57-Cu-12 Nl-53-Cr-l22-Mo-\69 Nb-70S9-B (6)

aK = 41S+33MC-256-Si+66Ni-m-Mo-1321-V-\559 Nb (7)

аК

а-—— (»)

(9)

Используя формулы расчета температурных циклов и формулы (3) - (9), установлено, что выбранная схема восстановления обеспечивает необходимые

свойства получаемых износостойких покрытий для всех восстанавливаемых деталей.

После расчета погрешности механической обработки по формуле (10) выявлено, что геометрическая точность детали после восстановления обеспечивается с трехкратным запасом.

Л = ^Лу + Дгя +Д2г + Д2„ +3-Д2Г +ДФ' (10)

где - погрешность, связанная с упругими деформациями,

возникающими из-за сил резания; - погрешность настройки станка на размер; - погрешность установки, состоит из погрешности базирования, погрешности приспособления и возможного его износа; - погрешность обработки, связанная с размерным износом инструмента; - погрешность, связанная с температурными отжатиями; Дф — погрешность, связанная с геометрическими неточностями станков.

Установлено, что принятая технология процесса восстановления позволяют получить требуемую точность и качество восстанавливаемой поверхности.

Глава 3, Разработана программа обработки микрошлифов для количественного анализа микроструктуры наплавленного металла.

Установлены характерные параметры графической интерпретации распределения фазовых структур, соответствующие качественному износостойкому металлу. Предпочтительной является та микроструктура, диаграмма которой имеет среднюю амплитуду (размах 30...40 %, характеризует наличие твердых включений в металле) и большую частоту колебаний (период 3...4 ^ характеризует высокодисперсность структуры), и форма которой близка к гармоническому колебанию, без всплесков (концентраторы напряжений).

Проведен ряд экспериментов, подтверждающих необходимость термической обработки, как до его наплавки, так и после для получения качественного износостойкого покрытия. Установлено, что при увеличении степени легирования возрастает твердость наплавляемой поверхности и увеличение доли мартенситной структуры, что способствует увеличению

износостойкости. Но при этом увеличивается размер зерна аустенита перед у—их превращением, т.к. легирующие компоненты снижают точку Асз и время пребывания металла выше этой точки увеличивается. Добиться же высокодисперсности при достаточном содержании мартенснтной фазы в металле при наплавке быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов возможно только при последующей термообработке.

Установлено, что среди всех возможных способов поверхностного легирования металла предпочтительным является способ наплавки углеродистой проволокой под керамическим флюсом. Установлен необходимый вид термообработки быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов после наплавки и его режимы.

Из анализа проведенных экспериментов следует, что наиболее подходящей технологией, отвечающей требованиям износостойкой наплавки для быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов, является наплавка проволокой Св-08 под флюсом АНК-18 с последующим средним отпуском (1 = 400°С, охлаждение - воздух). На рис. 3 и 4 изображены характерные структурные диаграммы микроструктур, получающихся при данной технологии наплавки.

Рис. 3. Микроструктура и диаграмма наплавленного металла и переходной зоны.

Рис. 4. Микроструктура и диаграмма переходной зоны и основного металла.

Свариваемость статти оипеттетшется по угттепоттиому эквиваленту:

„ Мп Cr Mo V (Ni+Cu)

(Су = С+—+ — + —+—-

^ 6 5 5 5 15

Считается что при Сэ > 0,4 ухудшается и появляется склонность к образованию холодных трещин. Таким образом, перед наплавкой ходовых колес требуется дополнительный подогрев до температуры, определяемой по формуле:

Г = 350-Л/Сэ -0,25 (12)

Глава 4. Проведен анализ влияния химической активности флюсов на процесс перехода легирующих компонентов в наплавленный металл.

Основность флюса определяется по формуле: д_ 0,018 • СаО + 0,015- MgO+0,006■ CaF1 + 0,014 (М^Он- K20) + Q,№ (Mn0+FeO) (13)

При В >1 — флюс основной, при В < 1 - флюс кислый, при В = 1 -нейтральный. Интенсивность окисления легирующих компонентов наплавленного металла флюсом характеризуется его химической активностью:

(14)

При использовании ограниченных токов и повышенных напряжений она будет выше, а на форсированных режимах - меньше. С ростом химической активности флюса увеличивается общее содержание кислорода в наплавленном металле. Для износостойкой наплавки используются флюсы с химической активностью

Специально разработана программа корректировки состава необходимого флюса до состояния химической нейтральности с целью применения его для износостойкой наплавки. Программа реализует метод наименьших квадратов, который сводится к минимизации величины:

Г-Ъ/М-гкИ' (15)

где - приближаемая (аппроксимируемая) функция, -

приближающая (аппроксимирующая) функция.

В конечном счете решается матрица:

Я яг «К*,)+*»,]£ я(*,Ы*<)+- /«1 1-1 я я /а] /«I

м «»Е лС«»М (16)

/>1 ы ы /-1

т 1=1 М »1

получением пропорций необходимых донорно-акцепторных

компонентов флюса и графической интерпретации конечного результата (рис. 5).

Рис, 5 Графики содержания элементов в заданном и синтезированном флюсах.

Установлена зависимость твердости наплавленного слоя от тока, напряжения дуги и приведенного углеродного эквивалента при условии химической нейтральности флюса. Исследования проведены в следующих интервалах: сила тока I - 200...400 А; напряжение дуги и - 24...36 В; углеродный эквивалент Сэ - 0,524...0,875.

Для определения итогового углеродного эквивалента Сэ была использована обобщенная зависимость:

Сэ=Сн+<р".(Спр-С„) (17)

где Сн - углеродный эквивалент наплавляемого материала; Сдр -углеродный эквивалент материала предыдущего слоя где

См - углеродный эквивалент материала детали); п - наплавляемый слой;

с

приведенный коэффициент влияния факторов наплавки на твердость и износостойкость:

. л1.071 »0 28

(18)

В результате получена следующая зависимость:

г0,19875 ^-г0,46839

ЯЙС = 10й"07 —'Сэ--

/0,19*75 у".0,46839

= 32,44- - 0")

ц0,ют ' цо.тп

Графики зависимости (19) представлены на рис. 6. Проведен анализ зависимости твердости от технологических факторов наплавки.

Рис. 6. Графики зависимости твердости наплавленного слоя от: а) - тока, б) - напряжения, с) - углеродного эквивалента.

Рис. 7. Сравнительные статистические графики значений твердости наплавленного слоя.

Из анализа полученных зависимостей следует вывод, что максимальная погрешность между расчетными и экспериментальными данными (см. рис.7) составляет 4,3 %, минимальная - 0,3 %, а средняя, следовательно, - 2,26 %.

Впервые разработана методика и программа оптимизации режимов наплавки в зависимости от конкретной восстанавливаемой детали, заключающаяся в следующем.

Плотность тока дуги не должна быть менее 25 А/мм2 для обеспечения устойчивого ее горения, а предпочтительные значения токов наплавки (А) в зависимости от диаметра наплавляемой детали Б (мм) определяются эмпирической зависимостью:

(20)

Для выявления оптимальных режимов наплавки воспользуемся формулами (17), (18), (19), (20), а также:

Длительность охлаждения Тв интервале 800...500 оС

(21)

Зависимость максимальной температуры ¡„^ от расстояния гх до оси перемещения источника

, (г) = 20-368^ ■ 'тиЛ'*/ _ 2

где с - удельная теплоемкость; -плотность.

Необходимо обеспечить минимальное значение напряжения дуги для снижения выгорания легирующих компонентов.

Диапазоны вариаций исследуемых параметров: I = 100...500 A; U = 24...36В^=1...4мм.

При заданных требуемой твердости и материале восстанавливаемой детали методом перебора определяются оптимальные значения тока, напряжения, диаметра наплавочной проволоки и приведенного углеродного эквивалента.

Скорость наплавки V определяется по формуле:

(23)

Г„р 100

где Кн - коэффициент наплавки, г/(А-ч); Гц - площадь поперечного сечения наплавляемого валика, см2; р - плотность металла шва (для стали р = 7,85 г/см3).

Площадь валика определяется по формуле:

^=0,75/?, (24)

где

- ширина шва; - глубина провара;

-выпуклость наплавленного валика. В последних формулах: Ч^ =4...8 -коэффициент формы валика; к - коэффициент пропорциональности, зависящий от рода тока, полярности и диаметра наплавочной проволоки; - коэффициент формы провара.

Коэффициент наплавки при сварке на прямой полярности:

(25)

на обратной полярности:

переменным током:

К„ =7+0,04-//</. (27)

Скорость подачи наплавочной проволоки Уп определяется по формуле:

Для того, чтобы поверхность наплавленного слоя была ровной, шаг наплавки Н устанавливается в пределах 0,4...0,75 от /.

Разработана методика и программа оптимизации режимов механической обработки в зависимости от конкретных условий обработки.

Графически методика оптимизации режимов механической обработки показана на рис. 8.

Рис. 8. Области оптимальных значений скорости резания V, глубины резания t и продольной подачи S (соответственно слева направо). На графиках приняты следующие обозначения: Ру(У, S, 1) - зависимость радиальной составляющей силы резания от V, s, ^

Ra(V, S, 1) - зависимость шероховатости от V, S,

0,04

На = 76,2 •

(30)

Щ»-" -е .Г0* -а0-» -(50 +гТ35

где г - радиус при вершине; а - задний угол; у - передний угол, I -жесткость металлорежущего станка.

St(V, S, 1) - зависимость стойкости резца от V, S,

Ише(У, S) - зависимость времени обработки от V, S;

Методом перебора значений в заданных интервалах на основании зависимостей (29) - (32) получаем оптимальные значения режимов резания.

Рекомендовано использование полученных результатов оптимизации в технологии восстановления работоспособности быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов.

Глава 5. Спроектирована и рассчитана конструкция автоматической наплавочной установки, реализующая оптимальную износостойкую наплавку деталей. Общий вид установки представлен на рис. 9.

Рис. 9. Общий вид автоматической наплавочной установки.

Функции отработки оптимальных режимов наплавки выполняются автоматическими регуляторами, входящими в состав наплавочной установки. Введение программируемого логического контроллера в роли автоматического регулятора в состав наплавочной установки ведет к замене исполнительных механизмов с ручным и механизированным приводом высокоточными сервоприводами для возможности реализации управляющих воздействий регулятора и гибкой точной настройки наплавочных режимов. Данная мера

модернизации наплавочного процесса позволяет получать высококачественные износостойкие слои на поверхностях быстроизнашивающихся деталей.

Разработана электрическая схема автоматической наплавочной установки и ее отдельные узлы. Структурно взаимодействие электрических и механических узлов установки показано на рис. 10.

Следует отметить, что разработанная установка может осуществлять не только наплавку под флюсом, но и в среде защитных газов.

Рис. 10. Структурная схема привода автоматической наплавочной установки.

Эксклюзивно разработан алгоритм и программа управления автоматической наплавочной установкой, как в ручном, так и в автоматическом режиме, и мероприятия, необходимые для его осуществления.

Разработана инженерная методика ведения восстановительных работ с использованием разработанной установки.

Установлено, что разработанная методика по восстановлению работоспособности быстроизнашивающихся деталей кранов позволяет отказаться от покупки запасных деталей ввиду экономической эффективности предлагаемых мероприятий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлены основные факторы и определены параметры термических циклов, влияющие на возможность осуществления износостойкой наплавки.

2. Проанализирована зависимость распределения температуры в теле детали при наплавке и выявлена степень влияния параметров термических циклов наплавки на качество наплавляемой поверхности.

3. Проведен ряд экспериментов, подтверждающих необходимость термической обработки наплавляемой детали перед и после наплавки.

4. Разработана программа и установлены критерии количественного анализа микрошлифов наплавленного металла: качественному износостойкому металлу соответствует диаграмма с размахом - 30...40 %, период колебания - 3...4 1, форма колебания - гармоническая или близкая к ней.

5. Установлена степень влияния химической активности флюсов на качество наплавленного металла: для осуществления износостойкой наплавки необходимо применять флюсы с химической активностью не выше 0,1.

6. Разработана программа корректировки химического состава флюса для его химической нейтрализации.

7. Установлена зависимость твердости наплавленного металла от основных параметров наплавки (ток, напряжение дуги, приведенный углеродный эквивалент), позволяющая рассчитывать значения со средней погрешностью 2,26 % в сравнении с реальными значениями, максимальная погрешность составляет 4,3 %.

8. Разработаны методики и программы оптимизации режимов наплавки и последующей механической обработки в зависимости от конкретных условий обработки конкретных деталей.

9. Разработана и рассчитана конструкция, электрическая схема и алгоритм управления автоматической наплавочной установки для износостойкой наплавки.

10. Разработана инженерная методика восстановления работоспособности

быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов. П. Ведется внедрение разработанной технологии и установки на ЗАО

«Белгородский цемент» и ОАО «Оскол-цемент». 12. Установлено, что срок окупаемости капитальных вложений на внедрение новой технологии и оборудования для восстановления работоспособности быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов составляет 9,5 месяцев (рассчитано для ЗАО «Белгородский цемент»).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бабаевский А.Н., Харций О.В. Специальные станки для обработки внутренних бандажей роторных измельчительных устройств // Механики XXI веку: Сборник докладов. - Братск: БрГТУ, 2001. - С. 130-133.

2. Бабаевский А.Н. Восстановление ходовых колес мостовых кранов цементных заводов // Международная студенческая научно-техническая конференция: сборник тезисов докладов. - Белгород: БелГТАСМ, 2001. 4.2 -С. 144-145.

3. Погонин А.А., Бабаевский А.Н. Регенерация и упрочнение изнашивающихся деталей в условиях цементного производства // Современные технологии в машиностроении: сборник материалов V Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза, 2002. - 4.2 -С.22-24.

4. Погонин А.А., Бабаевский А.Н. Восстановление ходовых колес мостовых кранов цементного производства // Цементная промышленность. Серия 1, выпуск 2. М.: ВНИИЭСМ, 2002 г. - С.15-19.

5. Погонин А.А., Бабаевский А.Н. Частотное управление приводом наплавочного модуля в практике восстановления ходовых колес // Механика и процессы управления: сборник докладов. - Екатеринбург, 2002. - С. 437-440.

6. Погонин А.А., Бабаевский А.Н. Использование технологичных малогабаритных редукторов с высоким передаточным числом // Технологические комплексы, оборудование предприятий строительных материалов и стройиндустрии: сборник докладов. - Белгород: БелГТУ, 2003.-С. 43-45.

7. Погонин А.А., Бабаевский А.Н. Модернизация оборудования и технологии для восстановления работоспособности массивных деталей с высокой интенсивностью износа // вестник БГТУ. Научно-теоретический журнал №7. - Белгород: БГТУ, 2003. - С. 46-49.

8. Погонин А.А., Зозулева Л.А., Бабаевский А.Н. Разработка системы автоматического управления установки для восстановления работоспособности крановых колес // Горный информационно-аналитический бюллетень ISSN 0236 - 1493 №8 2004. - С. 331-333.

9. Погонин А.А., Бабаевский А.Н. Восстановление работоспособности деталей с интенсивным комплексным износом // Создание перспективной авиационной техники. - М.: Изд-во МАИ, 2004. - С. 161 -163.

Изд. лиц. ИД № 00434 or 10.11.99 Подписано в печать 28.12.2004. Формат 60x84/16. Усл. а л. 1.0 Тираж 100 экз. Зек. Лв 311

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

Of. of- ûsoe

n wlkz^f^/

Введение

1 Обзор литературы и постановка задачи исследования ^

1.1 Сведения о мостовых грейферных кранах g

1.1.1 Особенности работы кранов в условиях цементного производства

1.1.2 Требования, предъявляемые к быстроизнашивающимся деталям кранов

1.1.3 Виды разрушений и дефектов ходовых колес

1.2 Прогрессивные методы восстановления и упрочнения функциональных поверхностей деталей

1.2.1 Химико-термические методы восстановления и упрочнения поверхностей

1.2.2 Электрохимические методы нанесения покрытий

1.2.3 Газотермические и электротермические методы нанесения покрытий

1.3 Анализ динамики контактно-фрикционного разрушения ходовых колес

1.4 Типовая технология и оборудование для восстановления ходовых колес

1.5 Цель и задачи исследований

2 Теоретическое обоснование способа восстановления рабочих поверхностей ходовых колес

2.1 Проверка степени влияния технологических факторов наплавки на качество получаемой поверхности

2.2 Расчет точности и качества механической обработки ходового колеса

2.2.1 Суммарная погрешность установки и закрепления ходового колеса в станок для механической обработки ^

2.2.2 Определение точности операций механической обработки ^

2.2.3 Проверка качества механической обработки

2.3 Выводы по главе

3 Проведение экспериментов по определению степени влияния технологических режимов восстановления на качество получаемой поверхности

3.1 Исследование влияния степени легирования наплавочных материалов

3.2 Исследование влияния режимов термообработки до наплавки

3.3 Исследование влияния режимов термообработки после наплавки

3.4 Выводы по главе

4 Оптимизация технологических режимов восстановления функциональных поверхностей ходовых колес

4.1 Синтез наплавочных флюсов ^

4.2 Моделирование наплавочного процесса

4.3 Оптимизация параметров наплавки

4.4 Оптимизация режимов механической обработки ^

4.5 Выводы по главе 82 5 Разработка оборудования и технологии для восстановления и упрочнения ходовых колес

5.1 Автоматизация процесса наплавки

5.2 Модернизация оборудования для наплавки

5.2.1 Автоматическая наплавочная установка

5.2.2 Расчет основных элементов конструкции и узлов установки

5.3 Разработка электрической схемы

5.4 Разработка алгоритма управления

5.5 Инженерная методика восстановления работоспособности быстроизнаши „ 110 вающихся деталей кранов

5.6 Экономические показатели эффективности внедрения новой технологии и оборудования для восстановления работоспособности деталей кранов Ш

5.7 Выводы по главе * ^

На промышленных предприятиях неизбежно использование грузоподъемных кранов. Грузоподъемный кран - машина циклического действия, предназначенная для подъема и перемещения груза, удерживаемого грузозахватным органом. Промышленные краны, главным образом, - рельсовые краны: мостовые, консольные и козловые.

Особое место среди промышленных кранов занимают мостовые краны технологического тракта цементного производства. Они подвержены особо тяжелым условиям эксплуатации - трехсменный график работы, пыле- и влагонасыщенная окружающая среда, 100% -е нагружение крана. Все эти факторы снижают плановый ресурс работы быстроизнашивающихся деталей кранов, а, следовательно, периодичность ремонтных простоев кранов. При этом имеет место актуальность проблемы восстановления работоспособности, повышения износостойкости и долговечности деталей, определяющих срок службы крана между ремонтами. Это не только повысит коэффициент использования крана, но и позволит избавиться от закупки и складирования новых запасных частей на кран.

При трении и изнашивании быстроизнашивающихся деталей протекают сложные, взаимосвязанные физические, химические и механические процессы.

При выявлении методов восстановления и упрочнения изношенных частей механизмов мостовых кранов необходимо установить доминирующий вид их изнашивания в различных условиях эксплуатации, предусмотреть средства обеспечения надежности и заданного ресурса. Следует учитывать физико-химическое влияние окружающей среды, стохастические закономерности распределения поверхностных сил, тепловых источников, импульсивность их воздействия, высокую скорость протекания химических реакций, градиенты полей напряжений, деформаций, температур, диффузионные процессы массопереноса. Во время работы крана, особенно в переходных режимах, вид изнашивания может меняться.

Упрочнение рабочих поверхностей деталей позволяет существенно повысить их надежность благодаря росту сопротивления усталости, износостойкости, коррозионной стойкости и других параметров.

В настоящее время в машиностроении высокое качество и надежность узлов трения обеспечиваются применением износостойких и антифрикционных покрытий. Защита поверхности массивных деталей позволяет сэкономить дорогостоящие легированные стали, успешно решить проблемы восстановления изношенных деталей.

Из большого числа известных технологических методов упрочнения металлических поверхностей значительный интерес представляют современные прогрессивные методы, нашедшие применение на практике как методы эффективной борьбы с наиболее распространенными видами усталостного разрушения и изнашивания, обладающие рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами объемного и поверхностного упрочнения. Требуемые поверхностные свойства обеспечиваются как нанесением защитного покрытия, так и преобразованием поверхностного слоя металла с помощью химических, физических, механических методов, диффузионного насыщения, химико-термической обработкой [1].

Химико-термические методы упрочнения поверхности трения (цементация, азотирование, цианирование, борирование и т.п.) весьма эффективно повышают сопротивление абразивному изнашиванию благодаря увеличению твердости. Для улучшения противозадирных свойств посредством сульфид ирования, сульфоцианирования, селенирования, карбо-нитрации, азотирования создаются тонкие поверхностные слои, обогащенные химическими соединениями, предотвращающими схватывание и задир.

Значительная часть технологических задач, связанных с необходимостью восстановительного ремонта и повышения износостойкости, решается с использованием методов металлизации напылением (газопламенная, электродуговая, плазменная, высокочастотная индукционная металлизация, детонационное напыление) [1].

При восстановлении деталей со значительными износами применяют главным образом наплавку: ручную электродуговую и газовую, автоматическую и полуавтоматическую под слоем флюса и порошковыми проволоками, вибродуговую в жидкости, в среде защитных газов, электрошлаковую и плазменную.

Создание на трущихся поверхностях прочных износостойких слоев позволяет существенно повысить прочность, коррозионную стойкость и износостойкость материалов. Толщина наносимого покрытия или упрочняемого слоя зависит от режимов работы детали, преобладающего вида повреждения и допустимого износа.

Эффективность применяемого метода упрочнения зависит от соответствия физико-химических и физико-механических свойств получаемого покрытия требованиям, определяемым условиями работы изнашиваемой детали и преобладающим видом механизма изнашивания.

Быстроизнашивающиеся детали мостовых кранов отличаются высоким уровнем износа рабочих поверхностей, а в условиях цементного производства этот износ носит к тому же исключительный характер, и технология восстановления работоспособности деталей должна обладать определенной гибкостью и маневренностью для каждого частного случая ввиду многочисленных факторов, определяющих вид, интенсивность и градиент износа. Учитывая вышеизложенное, приняты за основу для разработки требуемой технологии автоматическая электродуговая наплавка под флюсом и, учитывая опыт других видов восстановления и упрочнения, проведены необходимые качественные изменения процесса наплавки, а также последующей механической обработки для обеспечения требуемой геометрической точности детали.

Рабочая гипотеза: получение требуемых механических свойств рабочий поверхностей деталей на основании расчета модели распределения температурных полей и структурно-фазовых превращений металла при наплавке с последующей механической обработкой точением, оптимизированной на базе основных положений теории резания.

Цель работы: на основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработать автоматическую установку для износостойкой наплавки, реализующую новую инженерную методику и технологию восстановления рабочих поверхностей быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов в стационарных условиях на территории эксплуатирующего мостовые краны предприятия.

Объекты исследований: процессы, протекающие при восстановлении деталей электродуговой наплавкой под флюсом и оказывающие влияние на соблюдение требований их эксплуатации; процессы формирования макро- и микрогеометрии рабочих поверхностей при обработке резанием; оборудование для восстановления.

Научная новизна работы: теоретическими и экспериментальными исследованиями установлены аналитические и эмпирические зависимости, на основании которых разработана технология восстановления рабочих поверхностей быстроизнашивающихся деталей; разработана новая инженерная методика восстановления быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов; разработана автоматическая наплавочная установка, реализующая данную методику; определена эмпирическая зависимость величины твердости от технологических факторов процесса наплавки при восстановлении.

Автор защищает следующие основные положения:

- теоретические исследования в области технологий и методик восстановления работоспособности и геометрии рабочих поверхностей массивных быстроизнашивающихся деталей сложной формы;

- технологию восстановления, полученную в результате оптимизации зависимостей параметров технологии от факторов, влияющих на процесс восстановления;

- конструкцию автоматической наплавочной установки, реализующую оптимизированную технологию восстановления;

- инженерную методику восстановления с обеспечением необходимого качества и точности восстановленной поверхности.

Практическая ценность работы: разработана автоматическая наплавочная установка, реализующая разработанную технологию и инженерную методику восстановления работоспособности быстроизнашивающихся деталей.

Внедрение результатов работы: результаты работы апробированы и внедряются в опытно-промышленное производство на ЗАО «Белгородский цемент», ОАО «Оскол-цемент».

Публикации: по теме опубликовано 8 работ.

Апробация работы: результаты работы доложены на международных конференциях в г. Белгород (2001, 2002, 2003 г.), на заседаниях научно-отраслевой лаборатории и кафедры «Технология машиностроения и робототехнические комплексы», работа имеет поддержку в виде гранта министерства образования РФ (приказ № 1479 от 8 апреля 2003 г.).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлены основные факторы, влияющие на возможность осуществления износостойкой наплавки.

2. Проанализирована зависимость распределения температуры в теле детали при наплавке и выявлена степень влияния параметров термических циклов наплавки на качество наплавляемой поверхности.

3. Проведен ряд экспериментов, подтверждающих необходимость термической обработки наплавляемой детали перед и после наплавки.

4. Разработана программа количественного анализа микрошлифов наплавленного металла.

5. Установлена степень влияния химической активности флюсов на качество наплавленной металла: для осуществления износостойкой наплавки необходимо применять флюсы с химической активностью не выше 0,1.

6. Разработана программа корректировки химического состава флюса для его химической нейтрализации.

7. Установлена зависимость твердости наплавленного металла от основных параметров наплавки (ток, напряжение дуги, приведенный углеродный эквивалент), позволяющая рассчитывать значения со средней погрешностью 2,26 % в сравнении с реальными значениями, максимальная погрешность составляет 4,3 %.

8. Разработаны методики и программы оптимизации режимов наплавки и последующей механической обработки в зависимости от конкретных условий обработки конкретных деталей.

9. Разработана и рассчитана конструкция, электрическая схема и алгоритм управления автоматической наплавочной установки для износостойкой наплавки.

10. Разработана инженерная методика восстановления работоспособности быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов.

11. Установлено, что срок окупаемости капитальных вложений на внедрение новой технологии и оборудования для восстановления работоспособности быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов составляет 9,5 месяцев.

114

1. Конструирование машин. Под. ред. К.В. Фролова. М.: Машиностроение, 1994. 516 с.

2. Справочник технолога машиностроителя. Т. 1/ Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. -М.: Машиностроение, 1985. 456 с.

3. Справочник технолога машиностроителя. Т. 2/ Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. -М.: Машиностроение, 1985. 520 с.

4. Лившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. М: Машиностроение, 1989. 275 с.

5. Воловик Е.Л. Справочник по восстановлению деталей. М.: Колос,1981. 316 с.

6. Сучков O.K. Износостойкая наплавка деталей. М.: Колос,1974. 230 с.

7. Дроздов Ю.Н. Трение и износ в экстремальных условиях. М.:Машиностроение,1986. -168 с.

8. Никифорова Н.М. Теплотехника и теплотехническое оборудование предприятий промышленности строительных материалов и изделий: Учебник для техникумов. М.: Высшая школа, 1981. - 321 с.

9. Кушнырев В.И. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Стройиздат, 1983. -253 с.

10. Митин Г.П., Погонин А.А., Хазанова О.В. Решение задач автоматизации с использованием программируемых логических контроллеров. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2001. 78 с.

11. Приоритет на полезную модель «Автоматическая электродуговая наплавочная установка» от 20.02.2004 г.

12. Электрошлаковая сварка и наплавка в ремонтных работах. /Под общ. Ред. Д.А. Дудко. -Киев: Наук. Думка, 1989 190с.

13. Восстановление деталей машин и механизмов сваркой и наплавкой. М.: Машиностроение, 1966.-241с.

14. Фумин И.И., Юзвенко Ю.А. и др. Технология механизированной наплавки. М.: Высшая школа, 1964 - 96с.

15. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя в 3-х томах, Т1 М.: Машиностроение, 1976 - 728с.

16. Справочник технолога-машиностроителя «Обработка металлов резанием» /под ред. А.А. Панов и др. М.: Машиностроение, 1988 - 431с.

17. Допуски и посадки: справочник в двух частях 41 В.А. Мягкова, М.А Полей и др. М.: Машиностроение, 1982 - 544с.

18. Меликов В.В. Многоэлектродная наплавка. М.: Машиностроение, 1988 204с.

19. Новик Ф.С. Математические методы планирования эксперимента в металловедении. Раздел 1. М.: Московский институт стали и сплавов, 1972.

20. Единая система допусков и посадок СЭВ в машиностроении и приборостроении. Справочник: в 2-х томах. Tl.-М.: Издательство стандартов, 1989 263с.

21. Лебедев Л.В. Начала технологического проектирования. Учебное пособие. Белгород, БТИСМ, 1992-78с.

22. Ящерицин П.И. и др. Основы резания материалов и режущий инструмент.-М.: Высшая школа, 1981 560с.

23. Рубцов А.Н., Погонин А.А., Пелипенко Н.А. Математическое моделирование в машиностроении: Учебное пособие. М.: изд. МИСИ, БТИСМ, 1988 - 68с.

24. Бронштейт Н.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. -М.: Физматгиз, 1981 -308с.

25. Лернер П.С. Лукьянов П.М. Токарное и фрезерное дело. Учебное пособие. М.: Просвещение, 1990 - 86с.

26. Аваков А.А. Физические основы теории стойкости режущих инструментов. М., Машгиз, 1960-308с.

27. Адлер Ю.П. Введение и планирование эксперимента. М., 1969 224с.

28. Адлер Ю.П., Макаров Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: 1972 132с.

29. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1969 - 559с.

30. Банит Ф.Г., Крижановский Г.С., Якубович Б.И. Эксплуатация, ремонт и монтаж оборудования промышленности строительных материалов. Издательство литературы по строительству. Москва 1971 96с.

31. Банит Ф.Г. Ремонт оборудования цементных заводов. 2-е перераб. Изд. Госстройиздат, 1958-171с.

32. Банит Ф.Г., Нивижский О.А. Механическое оборудование цементных заводов. Учебник для техникумов. Изд. 2-е перераб. И доп. М.: Машиностроение, 1975 - 318с.

33. Банит Ф.Г., Якубович Б.И. Эксплуатация, ремонт и монтаж оборудования заводов строительных материалов. М.: Стройиздат, 1964 236с.

34. Бажков В.М., Кацев П.Г. Испытания режущего инструмента на стойкость. М.: Машиностроение, 1985 - 136с.

35. Богданов А.И. Механическое оборудование цементных заводов. Машгиз, 1961 - 186с.

36. Борисенко А.В., Лебедев В.Я.//Технологические методы управления качеством деталей машин и приборов. Саратов, 1981 с. 448.

37. Браун Е.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе А.В. Моделирование трения и изнашивания в машинах. М.: Машиностроение, 1982 - 192с.

38. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов 13-е изд., исправленное. - М.: Наука, Гл. ред. Физмат. Лит., 1986 - 544с.

39. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирования Применительно к задачам электроэнергетики).: Учебник для Вузов по спец. «Кибернетика элекгр. Систем». 3-е изд., перераб. И доп. - М,: Высшая школа, 1984 - 439с.

40. Вульф А.М. Резание металлов. Изд. 2-е. Л., Машиностроение (Ленингр. Отд-ние), 1973 -496с.

41. Веников В. А. Теория подобия и моделирования. М.: Высшая школа, 1976 479с.

42. Горский В.Г., Адлер Ю.П. Планирование промышленных экспериментов. М.: Металлургия, 1974 264с.

43. Грановский Г.И., Грудов П.П., Кривоухов В.А. Резание металлов. М.: Машгиз, 1954 -472с.

44. Грановский Г.И. Обработка результатов экспериментальных исследований резания металлов. М.: Машиностроение, 1982 - 112с.

45. Дроздов Н.Е. Эксплуатация, ремонт и испытания оборудования предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. М.: Высшая школа, 1979 207с.

46. Дроздов Н.Е., Сапожников М.Я. Ремонт и монтаж оборудования заводов строительных материалов. М.: Стройиздат, 1967 384с.

47. Дроздов Н.Е., Фейгин Л.А. Эксплуатация и ремонт машин предприятий нерудных строительных материалов. М. 1969 276с.

48. Егоров М.Е. и др. Технология машиностроения. М: Высшая школа, 1976 534с.

49. Загденидзе Г.И. Планирование эксперимента для исследований многокомпонентных систем. М.: наука. 1976 390с.

50. Картшпев А.П., Рождественский Б.Л. Обыкновенные дифференциальные уравнения и основы вариационного исчисления. М.: Наука, 1980 - 228с.

51. Колев К.С. Технология машиностроения. М: Высшая школа, 1977 - 256с.

52. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов ПБ 10-382-00. М.: НПК «Апрохим», 2001 243 с.

53. Колесов И.М. Основы технологии машиностроения. М.: Высшая школа, 1999 - 590с.

54. Лысяков А.Г. Краны промышленных предприятий. М.: Машиностроение, 1985 - 176 с.

55. Абрамович И.И. Грузоподъемные краны промышленных предприятий. Справочник. М.: Машиностроение, 1989 - 355с.

56. Электрошлаковая сварка и наплавка. Под. ред. Б.Е. Патона- М.: Машиностроение, 1980 -512 с.

57. Метлин Ю.К. Сварочные и наплавочные работы при ремонте деталей строительных машин. М.: Стройиздат, 1981 - 158 с.

58. Сварочные материалы для дуговой сварки. Под. ред. Н.Н. Потапова М.: Машиностроение, 1989 - 543 с.

59. Патон Б.Е. Электрооборудование для дуговой и шлаковой сварки. М.: Машиностроение, 1966 - 352 с.

60. Савровский Д.С. Конструкционные материалы и их обработка. М.: Высшая школа, 1976 -328 с.

61. Справочник по полупроводниковым приборам и их аналогам. Под. ред. А.М Пыжевского М.: Изд-во «РОБИ», 1992 - 316 с.

62. Киркач Н.Ф., Баласанян Р.А. Расчет и проектирование деталей машин. Харьков.: Изд-во «Основа», 1991 - 272 с.

63. Бабаевский А.Н. «Разработка технологии и оборудования для упрочнения и восстановления деталей оборудования цементного производства». Дипломный проект. БелГТАСМ.2001 г.-92 с.

64. Бабаевский А.Н., Харций О.В. Специальные станки для обработки внутренних бандажей роторных измельчительных устройств // Механики XXI веку: Сборник докладов. -Братск: БрГТУ, 2001. С. 130-133.

65. Бабаевский А.Н. Восстановление ходовых колес мостовых кранов цементных заводов // Международная студенческая научно-техническая конференция: сборник тезисов докладов. Белгород: БелГТАСМ, 2001. 4.2 - С. 144-145.

66. Погонин А.А., Бабаевский А.Н. Регенерация и упрочнение изнашивающихся деталей в условиях цементного производства // Современные технологии в машиностроении: сборник материалов V Всероссийской научно-практической конференции. Пенза, 2002. -Ч.2-С. 22-24.

67. Погонин А.А., Бабаевский А.Н. Восстановление ходовых колес мостовых кранов цементного производства // Цементная промышленность. Серия 1, выпуск 2. М.: ВНИИЭСМ,2002 г.-С. 15-19.

68. Погонин А.А., Бабаевский А.Н. Частотное управление приводом наплавочного модуля в практике восстановления ходовых колес // Механика и процессы управления: сборник докладов. Екатеринбург, 2002. - С. 437-440.

69. Погонин А.А., Бабаевский А.Н. Модернизация оборудования и технологии для восстановления работоспособности массивных деталей с высокой интенсивностью износа // вестник БГТУ. Научно-теоретический журнал №7. Белгород: БГТУ, 2003. - С. 46-49.

70. Погонин А.А., Зозулева JI.A., Бабаевский А.Н. Разработка системы автоматического управления установки для восстановления работоспособности крановых колес // Горный информационно-аналитический бюллетень ISSN0236 №8 2004. С. 331-333.