CC BY
50
MATHEMATICAL MODEL AND THEORETICAL STUDY OF NON-STATIONARY HEAT EXCHANGE BETWEEN FUSION OF METAL AND REFRACTORIES IN THE SLIDE GA TE
D.I. Zhilin
The improved design of the slide gate is considered. A mathematical model and theoretical study of non-stationary heat exchange between fusion of metal and refractories in the slide gate with additional heating of a ladle nozzle are given.
Key words: slide gate, refractories, non-stationary heat exchange, mathematical model, theoretical study
Zhilin Dmitriy Igorevich, Design-Engineer, Zhilin@yulkantm. com, Russia, Tula, LLC «SPP «Vulkan-TM»
УДК 631.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБЪЕМНОГО ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ДОРНОВАНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА
НА РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ СВЕРНУТЫХ ВТУЛОК
ИЗ Бр ОЦС 4-4-2,5
А.В. Морозов, Л.В. Федорова, Г. Д. Федотов, Е.А. Токмаков
Рассмотрено применение объемного электромеханического дорнования (ОЭМД) к свернутым втулкам из бронзы БрОЦС 4-4-2,5. Проведен рентгеноструктур-ный анализ обработанной поверхности втулок, изготовленных из данной марки бронзы. Определено влияние режимов ОЭМД на формирование элементного состава на обработанной поверхности.
Ключевые слова: бронзовые свернутые втулки, объемное электромеханическое дорнование, поверхность, свинец.
Задача повышения эксплуатационной надежности деталей машин приобретает все большее значение в связи с увеличением механической и тепловой напряженности узлов трения. Подшипники скольжения с мягкими вкладышами, широко распространенные в технике, работают в условиях граничной смазки. Даже подшипники скольжения, предназначенные для работы в режиме жидкостного трения, работают в условиях ограниченной смазки во время пуска и остановки машины. В связи с этим изнашивание подшипников скольжения, работающих в условиях внешнего трения, определяется совместимостью контактирующих материалов.
178
Однако поверхности всех реальных подшипниковых материалов покрыты пленками сложного состава и взаимодействие между валом и вкладышем происходит через пленки, покрывающие их поверхности, и составом пленок, разделяющих контактирующие поверхности, можно управлять процессом трения и изнашивания, применяя дополнительные технологические операции.
Процесс деформирования отдельных, наиболее нагруженных участков должен проходить только в поверхностных слоях, не вовлекая в деформацию нижерасположенные слои. Облегчённая поверхностная деформация с низким значением коэффициента трения достигается при помощи следующих технологических процессов:
- нанесение тонких поверхностных плёнок мягких металлов, полимерных покрытий или твёрдых смазок;
- образование тонких мягких плёнок в процессе контактирования поверхностей вследствие эффекта схватывания с мягкой структурной составляющей сплава или резкого разупрочнения поверхностных слоёв, а также в результате эффекта избирательного переноса;
- размягчение отдельных контактных участков поверхностей вследствие высокого уровня нагрева, создающегося на участках с пониженной теплопроводностью.
Наличие мягких составляющих на поверхности трения значительно снижает процесс приработки и формирование равновесной шероховатости, которая и определяет долговечность узла трения, несмотря на меняющиеся характеристики процесса трения.
Применение объемного электромеханического дорнования (ОЭМД) [1, 2, 3, 4] для подшипников скольжения с мягкими вкладышами позволяет сформировать на границе раздела пленку из антифрикционных легкоплавких металлов из матричного материала вкладыша за счет высоких температур и давлений в зоне контакта инструмента с обрабатываемой втулкой.
Основным преимуществом мягких металлов по сравнению с другими антифрикционными материалами является возможность их применения при высоких нагрузках, а также при криогенных (-200 °С) и высоких температурах (до 1000 °С), слабая зависимость коэффициента трения от условий нагружения, отсутствие газовыделения. Кроме того, покрытия из мягких металлов обладают хорошей адгезией к металлам, высокой износостойкостью, тепло- и электропроводностью. Они обеспечивают возможность получения покрытий с плавным увеличением сопротивления сдвигу по нормали к поверхности трения.
В работе приведены результаты исследований по влиянию режимов ОЭМД на выделение свинца из матричного материала свернутой втулки из БрОЦС 4-4-2,5 к поверхности трения.
При выборе элементов трущейся пары необходимо, прежде всего, учитывать, при каком режиме трения будут эксплуатироваться подшипники скольжения, установить преимущественные виды повреждений.
На рис. 1 представлены наиболее характерные виды повреждений подшипников скольжения в зависимости от режима трения.
Виды повреждении подшипников скольжения В зависимости от режима трения
К обишанионные повреждения
Коррозионное повреждение
Усталостные повреждения
Смешанный или гроничныИ режим трения
Абразивный износ
\
\
Износ 5 слеЫии сх6тпони я трущихся поверхностей
Режим тения без подачи смазки
ОПрсзодание глуНоких и широт борозд, приводящих к зод'иру щшихей гюбертст
Л/штическая деформация трущихся noñepxHocfnpú
Рис. 1. Виды повреждений подшипников скольжения в зависимости
от режима трения
Втулки устанавливали в обоймы с зазором Hll/hll, после чего осуществляли ОЭМД по схеме сжатия на вертикально-фрезерном станке 6В11 твердосплавным инструментом - дорном (Т15К6) [1, 2, 5, 6] диаметром D = 30 мм.
Из обработанных втулок были изготовлены фрагменты. Влияние режимов ОЭМД на свойства обработанной поверхности исследовалось на фрагментах из необработанных втулок и обработанных ОЭМД.
Электронно-микроскопические изображения были получены с помощью сканирующего электронного микроскопа XL30 ESEM-TMP производства фирмы FEI/Philips Electron Optics.
Микрорентгеноспектральный анализ проводился с помощью спектрометра волновой дисперсии (INCA Wave 700) производства фирмы Oxford Instruments установленного на данном сканирующем электронном микроскопе.
Исследования проводились при ускоряющем напряжении 30 кВ. При таких условиях глубина проникновения электронов в бронзу составляет ~3 мкм. Элементы регистрировали по следующим характеристическим рентгеновским линиям: медь - Кр, цинк - Ка, свинец и олово - Ьа. В качестве эталонов сравнения для количественного микроанализа (определения массовой доли элементов в точке) использовались соответственно: для Си - чистая медь, - чистый цинк, 8п - чистое олово, РЬ - РЬ8 с содержанием свинца 88 %. Сила тока зонда не превышала 60 мкА. Результаты всех количественных измерений корректировались с учетом коррекции и усреднялись по нескольким точкам измерения.
С поверхности образцов, подготовленных из втулок обработанных несвободным ОЭМД, были получены электронно-микроскопические изображения распределения свинца на внутренних поверхностях втулок. На картах (рис. 2) более светлый цвет соответствует большей массовой доле свинца.
В электронно-микроскопическом изображении в отраженных электронах видны области химических элементов с большим атомным номером (более светлые - предположительно свинцово-содержащие области).
С целью идентификации прогнозируемого результата поверхность необработанной втулки сравнивали с поверхностью втулок, обработанных несвободным ОЭМД (рис. 2).
500 ин* 500 мш 500 мы
Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения поверхности
свернутой втулки из БрОЦС 4-4-2,5, й = 30 мм: а - не обработанная; б - после ОЭМД (сила тока I = 4400 А; натяг I = 0,1 мм; скорость перемещения инструмента относительно обрабатываемой поверхности и = 220 мм/мин); в - после ОЭМД (I = 5200 А; I = 0,5; и = 420 мм/мин)
С увеличением силы тока (рис. 2, б, в) и, как следствие, с увеличением температуры в зоне контакта инструмента с поверхностью втулки наблюдается увеличение количества выделенного свинца. Данное явление объясняется тем, что свинец практически нерастворим в оловянных брон-
181
зах в твердом состоянии [7]. Структура оловянно-цинково-свинцовых бронз БрОЦС4-4-2,5 состоит из кристаллов а-твердого раствора и включений свинца. Под действием высокой температуры и давления в процессе ОЭМД некоторая часть свинца выдавливается к поверхности из приповерхностных слоев (рис. 3).
Рис. 3. Поперечный шлиф втулки из Бр ОЦС 4-4-2,5, обработанной ОЭМД при I = 5200 А; I = 0,4; и = 320 мм/мин: 1 - матричный материал; 2 - выделение свинца на поверхности
Данные по содержанию химических элементов на поверхности свернутых втулок из Бр ОЦС 4-4-2,5, обработанных ОЭМД, были сняты в трех точках (рис. 4), а результаты сведены в табл. 1.
Рис. 4. Точки количественного анализа свинца на поверхности свернутой втулки из Бр ОЦС 4-4-2,5 после ОЭМД на режимах: I = 5200 А; I = 0,5; и = 420 мм/мин
Из табл. 1 видно, что доля свинца в исследуемых областях (точках) на поверхности свернутой втулки из Бр ОЦС 4-4-2,5 после ОЭМД существенно превышает его содержание в основе.
182
Таблица 1
Содержание химических элементов на поверхности свернутых
втулок из Бр ОЦС 4-4-2,5
Место анализа Массовая доля элементов, %
Си 2п Бп РЬ
Основа 89,0±0,4 3,78±0,08 3,56±0,06 1,8±0,3
Точка 1 35,2±0,2 1,61±0,07 0,61±0,06 60,5±0,3
Точка 2 8,53±0,09 0,61±0,06 <0,06 91,2±0,5
Точка 3 28,8±0,3 2,3±0,07 1,22±0,06 60,6±0,2
Для установления влияния каждого из технологических факторов применялся метод рационального планирования эксперимента, который позволяет при минимальном количестве опытов получить регрессионное уравнение процесса. Данное уравнение может быть использовано для нахождения рациональных режимов технологического процесса и управления им.
Для оптимизации режимов несвободного ОЭМД свернутых втулок из Бр ОЦС 4-4-2,5 был проведен полный факторный эксперимент на трех уровнях. Значения технологических факторов и уровней приведены в табл. 2. За параметр оптимизации принято содержание свинца на поверхности свернутых втулок из Бр ОЦС 4-4-2,5.
Таблица 2
Значения исследуемых факторов
Уровень Факторы Содержание на поверхности РЬ, %
Сила тока, А Натяг, ¡, мм Скорость обработки,и мм/мин
Нижний (-1) 4400 0,3 220 7,6
Средний (0) 4800 0,4 320 10,6
Верхний (+1) 5200 0,5 420 12,8
После обработки данных в программе 81а11в11са 6.0 было получено уравнение регрессии, устанавливающее влияние технологических факторов на процентное выделение свинца в процессе электромеханического дорнования:
Pb% = -57,233 + 21,9771 + 70,117i - 0,00671^ -1,691!2 - 25,092i2 --0,00000и2 -10,73 8П + 0,00147- 0,0531ш + 0,0109!и,
где РЪ% - выделение свинца в процессе несвободного ОЭМД; I - сила тока, А; г - натяг ОЭМД, мм; и - скорость обработки, мм/мин.
Значимость коэффициентов уравнения регрессии оценивали с помощью модуля «Фиксированная нелинейная регрессия» программы 81аИв-Неа 6.0. Все коэффициенты полученного уравнения, включая свободный член, статистически значимы, так как уровень значимости для каждого из них менее 0,05.
Степень влияния факторов на оцениваемый показатель отражает гистограмма (рис. 5). На основании гистограммы можно отметить, что превалирующее влияние на выделение свинца на поверхность втулки оказывает сила тока, а натяг и скорость обработки по отдельности не значимы.
Скорость обработки, v (ми мин)
Натяг, i (мм)
Сила тока, 1(4)
0% 20% 40% 60% 30% 100%
Рис. 5. Степень влияния факторов
Наибольшее влияние на процент выделения свинца к поверхности свернутой втулки оказывает сила тока (рис. 5), так как при ее увеличении возрастает температура в зоне контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью втулки, что влечет за собой интенсификацию образования жидкой фазы свинца в приповерхностных слоях и в последующем - выдавливание большей части на рабочую поверхность втулки.
На рис. 6 представлено влияние сочетания исследуемых факторов процесса ОЭМД на выделение свинца.
Рис. 6. Влияние режимов несвободного ОЭМД свернутых втулок из Бр ОЦС 4-4-2,5 на выделение свинца на поверхность трения
184
Из графиков (рис. 6) следует, что наибольшее количество свинца ~ 13 % к поверхности свернутой втулки выделяется при следующих режимах несвободного ОЭМД: I = 5200 А; г = 0,5; и = 220 мм/мин. Снижение скорости обработки и увеличение силы тока способствуют большему разогреву поверхностного слоя втулки, а увеличение натяга обработки способствует выдавливанию свинца к поверхности свернутой втулки.
Выводы
На рабочую поверхность свернутой втулки из Бр ОЦС 4-4-2,5 при несвободном ОЭМД из матричного материала выделяется свинец от 6,9 до 13,3 %, являющийся для подшипника скольжения твердой смазкой. Преобладающее влияние на его выделение оказывает сила тока.
На основании этого следует, что в результате несвободного ОЭМД свернутых втулок можно не только получать качественные прессовые соединения [8], но и влиять на процесс трения подшипника скольжения за счет формирования благоприятной шероховатости и элементного состава на поверхности втулки [9].
Список литературы
1. Морозов А.В. Объемное электромеханическое дорнование тонкостенных стальных втулок: монография. Ульяновск: УГСХА им. П.А. Столыпина, 2013. 193 с.
2. Морозов А.В., Федотов Г.Д. Разработка классификации процессов электромеханической обработки отверстий движущимся высокотемпературным полосовым источником // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. № 3. С. 44-50.
3. Морозов А.В., Байгулов А.В. Формирование свойств поверхности при объемном электромеханическом дорновании втулок из бронзы Бр ОЦС 5-5-5 // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии: научно-теоретический журнал. Ульяновск, 2011. № 4. С. 116-121.
4. Морозов А.В., Байгулов А.В. Рентгеноструктурный анализ поверхности втулки, изготовленной из бронзы Бр ОЦС 5-5-5, обработанной объемным электромеханическим дорнованием // Вестник МГАУ. М. 2011. №2. С. 31-33.
5. Пат. 97071 РФ, МПК Б23Б 43/02. Дорн / Морозов А.В., Байгулов А.В. Опубл. 27.08.2010. Бюл. № 24. 4 е.
6. Пат. 2471608 РФ, МПК Б24Б 39/02. Дорн для электромеханической обработки / Морозов А.В., Байгулов А.В. Опубл. 10.01.2013. Бюл. № 1. 4 е.
7. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди / под ред. С.В. Шухардина М.: Наука, 1979.
185
8. Морозов А.В., Абрамов А.Е., Байгулов А.В. Качество прессового соединения, полученного объемным электромеханическим дорнованием бронзовых втулок в замкнутом объеме // Журнал «Научное обозрение». М., 2013. № 1. С. 91-97.
9. Морозов А.В., Байгулов А.В. Влияние режимов объемного электромеханического дорнования на износостойкость бронзовых втулок // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии: научно-теоретический журнал. Ульяновск, 2013. № 1. С. 155-160.
Морозов Александр Викторович, канд. техн. наук, доц., alvi.mor@,mail.ru, Россия, Ульяновск, Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им. П.А. Столыпина,
Федорова Лилия Владимировна, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
Федотов Геннадий Дмитриевич, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Ульяновск, Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им. П. А. Столыпина,
Токмаков Евгений Александрович, студент, tokmakov. ewgenamail.ru, Россия, Ульяновск, Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им. П.А. Столыпина
RESEARCH VOLUME ELECTROMECHANICAL BURNISHING ON THE FORMATION OF THE ELEMENTAL COMPOSITION ON THE WORKING SURFACE OF THE BUSHING
MADE OF BrOTsS 4-4-2,5
A. V. Morozov, L. V. Fedorova, G.D. Fedotov, E.A. Tokmakov
Application volume electromechanical an insertion to plugs from bronze of BrOtSs 4-4-2,5 is considered. It is spent the X-ray-structural the analysis of the processed surface of plugs made of the given mark of bronze, influence of modes of processing on formation of element structure on surfaces is defined.
Key words: bronze wrapped bushing, three-dimensional electromechanical burnishing, surface, common lead.
Morozov Aleksandr Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, alvi. mor@,mail.ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Agricultural Academy named after P.A. Stolypin,
Fedorova Liliya Vladimirovna, doctor of technical sciences, professor, momd@yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow State Technical University named after N. Uh. Bauman,
Fedotov Gennady Dmitrievich, candidate of technical sciences, docent [email protected], Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Agricultural Academy named after P.A. Stolypin,
Tokmakov Eugene Alexandrovich, student, [email protected], Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Agricultural Academy named after P.A. Stolypin
УДК. 625.084
ПРИМЕНЕНИЕ И ПРЕИМУЩЕСТВА ИННОВАЦИОННОГО УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА
С.В. Савельев, Г.Г. Бурый, И.К. Потеряев, А.С. Белодед
Рассмотрено инновационное устройство контроля качества уплотнения грунта дорожными катками, а также его преимущества по сравнению с аналогами. Показаны традиционные методы контроля качества уплотнения грунтов, а также некоторые устройства контроля качества уплотнения грунтов. Описаны недостатки существующих методов и устройств контроля качества уплотнения грунтов. Приведены актуальность и преимущества рассматриваемого инновационного устройства контроля качества уплотнения грунтов.
Ключевые слова: уплотнение, дорожный каток, грунт, устройство, деформирование.
В настоящее время изменение экономической ситуации в стране невозможно без развития транспортной инфраструктуры и сети автомобильных дорог в частности. Долговечность этих объектов во многом зависит от качества уплотнения земляного полотна. При этом необходимо контролировать процесс уплотнения грунтов, так как недоуплотнение может привести к разрушению всех технологических слоев дороги. Также важно рационально использовать дорожные катки, так как их длительная эксплуатация приводит к дополнительным затратам. В процессе масштабного строительства подобные затраты могут превысить миллиарды рублей.
На сегодняшний день используются следующие традиционные методы контроля качества уплотнения.
1. В стандартном методе СоюзДорНИИ прибором определяются основные параметры, характеризующие плотность грунтов. На основании этих параметров определяется уплотняющая способность грунтоуплот-няющих машин и назначается рациональный режим их работы. Для измерения параметров грунта на подстаканник прибора в разъемный цилиндр помещается грунт, сверху на давящую платформу, перемещаясь по стойке, сбрасывается гиря, по числу сбрасываний определяют параметры грунта
[1,2, 3].
2. Метод режущего кольца основан на определении объемной массы влажного грунта в объеме металлического кольца [1, 2, 3].
