CC BY
21
УДК 621.793
КОМПЛЕКС ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
А.Е. ЛОГИНОВ
Казанский государственный энергетический университет
Разработанный комплекс электротехнического оборудования предназначен для восстановления деталей в энергетике и обеспечивает двухстадийные процессы раздельно-последовательного воздействия на изделия электроискровым методом с последующей электродуговой обработкой. При обработке электротехническим комплексом получено увеличение адгезионной способности слоя на 55% по сравнению с базовой технологией обработки поверхности.
Анализ состояния проблемы
В современных условиях, особенно в энергетике, восстановление деталей с одновременным их упрочнением является экономически целесообразным и обоснованным. При этом увеличивается долговечность деталей, экономятся легирующие элементы, удешевляются изделия, появляется возможность восстанавливать детали широкой номенклатуры. При использовании современных технологических решений стоимость восстановленных деталей не превышает 10 - 30 процентов стоимости новых изделий при одновременном увеличении срока их службы.
Среди разнообразных технологий нанесения покрытий за последнее время интенсивное развитие получили технологии газотермических покрытий (ГТП).
Следует отметить, что среди существующих современных технологий из блока ГТП наиболее эффективным, технически и экономически, является электродуговая металлизация (ЭДМ), позволяющая использовать такие интенсифицирующие факторы, как высокая температура и высокие концентрации электрической энергии [2]. Электродуговая металлизация имеет ряд преимуществ: низкое температурное воздействие на деталь (не более 120 °С), что исключает ее деформацию и снижение усталостной прочности; высокую производительность процесса напыления (до 20 кг/ч присадочного металла); оптимальную пористость покрытия; толщину покрытия 0,1 - 10 мм и выше; кроме того, процесс не требует высокой квалификации исполнителей.
Недостаток ЭДМ - низкая адгезионная прочность, что препятствует восстановлению ответственных деталей машин. Поэтому вопрос повышения адгезионной прочности покрытий, полученных методом электродуговой металлизации, является актуальным.
Возможный выход для устранения указанного недостатка состоит в специальной подготовке поверхности детали. Однако существующие способы подготовки поверхности детали для ЭДМ решают поставленную задачу только частично и, как правило, ведут к повышению энергетических и временных затрат, а иногда - просто неэкономичны и неэффективны. Вопрос объединения в едином технологическом процессе подготовительной операции и ЭДМ мало изучен.
© А.Е. Логинов Проблемы энергетики, 2005, № 1-2
Теоретическая часть
Номенклатура восстанавливаемых деталей энергетического оборудования ТЭС весьма обширна и насчитывает сотни наименований. На ТЭС наиболее слабым звеном является котлоагрегат [5].
Ниже приведена номенклатура узлов и деталей оборудования, влияющих на надежную безаварийную работу котлоагрегата и имеющих пониженный ресурс работы (исходя из межремонтного периода), наиболее часто повреждаемых по причине износа: штоки предохранительных клапанов; штоки клапанов
регулирующей аппаратуры; штоки запорной арматуры всех типоразмеров; тарелки запорной арматуры; валы всех насосов (питательных, сетевых и т.д.); валы углеразмольных мельниц; валы всех тягодутьевых механизмов, включая электродвигатели; лопатки дымососов, мельничных вентиляторов; пальцы бил углеразмольных мельниц; элементы клапанов и запорной арматуры химводоочистки; оборудование топливоподачи, детали машин, тракторов.
Основной подготовительной операцией перед ЭДМ является образование на поверхности необходимой шероховатости, которая оказывает существенное влияние на прочность сцепления металлизированного слоя с поверхностью восстанавливаемой детали.
Считается, что сцепление частиц металлизированного слоя с поверхностью носит чисто механический характер и основано на действии сил адгезии, значение которых зависит от кинетической энергии частиц поверхностного слоя [1].
Применение метода электроискровой обработки в качестве подготовки поверхности перед ЭДМ представляет научный и практический интерес и диктуется следующими соображениями: обеспечивается высокая прочность сцепления и повышенная шероховатость тонких легирующих покрытий [3]; в зоне воздействия разряда отмечается эффект разложения и восстановления оксидов и очистки поверхности, что может способствовать упрочнению поверхности в зоне разряда за счет разрушения оксидных пленок, препятствующих адгезии и когезии [4]; низкая энергоёмкость метода (мощность применяемых источников питания составляет 60 - 300 Вт); дешевизна применяемого оборудования и возможность полной автоматизации процесса легирования без снижения производительности всего процесса восстановления деталей; возможность исключения операции струйно-абразивной обработки с упрощением технологического участка; не требуется специальной подготовки поверхностей (необходимо лишь полностью очистить их от грязи и удалить следы жира и масла).
Однако электроискровое легирование (ЭИЛ) резко ограничено по составу внедряемых элементов и режимам обработки поверхности. В связи с этим появляется необходимость создания комплексов нового эффективного электротехнического оборудования, обеспечивающего двухстадийные процессы раздельно-последовательного воздействия на изделия электроискровым методом с последующей электродуговой обработкой.
Большинство электроискровых установок (ЭИУ) состоят из источника питания и электромагнитного вибратора, который приводит в колебательное движение рабочий электрод. ЭИУ имеют узкие пределы регулирования напряжения, тока, частоты колебания и не подходят для обработки деталей, изготовленных из различных материалов. В связи с этим появляется необходимость теоретически обосновать режимы электроискровой обработки для подготовки деталей перед электродуговой металлизацией, на их основе © Проблемы энергетики, 2005, № 1-2
разработать электроискровую установку с широкими пределами регулирования рабочих режимов и создать электротехнический комплекс для восстановления деталей в энергетике.
Электрический режим электроискровой обработки оказывает очень большое влияние на шероховатость поверхности. Увеличение напряжения и силы тока влечет за собой увеличение шероховатости поверхности. Это объясняется увеличением энергии каждого импульса. А увеличение частоты импульсов ведет к уменьшению шероховатости, но при этом увеличивается производительность.
Выявлено, что шероховатость поверхности начинает снижаться после однократной обработки поверхности электрическим разрядом, следовательно время ЭИЛ не должно превышать времени, необходимого для однократного воздействия на единицу площади детали.
Таким образом, для увеличения адгезионной прочности покрытия выбраны следующие технологические факторы процесса легирования: удельная
продолжительность ЭИЛ; ток; частота импульсов.
Для оперативного расчета и определения оптимальных электрических параметров разработан алгоритм расчета, с помощью которого можно рассчитать частоту следования импульсов, длительность и паузу импульсов, шероховатость поверхности после обработки, мощность и производительность установки.
Основными рабочими характеристиками ЭИУ являются: напряжение на электроде; частота и длительность импульсов; емкость накопительных конденсаторов.
Таким образом, для увеличения адгезионной прочности необходимо
учитывать технологические факторы, а также шероховатость поверхности и энергетические показатели установки.
Экспериментальная часть
На основании проведенного теоретического анализа существующих ЭИУ была разработана установка с широкими пределами регулирования рабочих режимов.
Установка (рис. 1) состоит из источника питания, генератора импульсов и электромагнитного вибратора. Источник питания имеет регулировку выходного
напряжения на рабочем электроде от 7 до 80 В (регулировка мощности
импульсов). Генератор импульсов генерирует прямоугольные импульсы с частотой 100 - 1000 Гц и длительностью 0,5 - 1,5 мс.
Принцип работы электроискровой установки заключается в следующем. Электромагнитный вибратор приводит в колебательное движение рабочий электрод, на который подается положительный потенциал заданной мощности. Частота и скважность колебания электрода задаются соответствующими регуляторами на генераторе импульсов и замеряются цифровым мультиметром типа N34000?^, который подключается через специальный разъем, установленный на задней стенке установки. Мощность рабочих импульсов определяется по значениям напряжения и тока, полученным с помощью встроенного измерительного прибора. Для оперативного управления сварочным аппаратом ВДУ-506 был разработан и изготовлен выносной пульт управления.
Для экспериментального определения влияния электрического режима ЭИУ на шероховатость были изготовлены образцы из сплава 18Х2Н4МА и обработаны при различных режимах ЭИУ. Прочность сцепления покрытия с основой изучалась на 6 образцах, обработанных на разных режимах. При © Проблемы энергетики, 2005, № 1-2
использовании электрода марки Т16Х6 с изменением напряжения
электроискровой обработки выявлена тенденция к некоторому увеличению прочности сцепления. Однако при дальнейшем увеличении напряжения наблюдалось снижение прочности сцепления. Не повлияло на прочность сцепления и увеличение времени легирования со 120 до 160 с. Время легирования, равное 120 с, - оптимальное с точки зрения времени операции и адгезионных характеристик.
Д
Частота Скважность
Э
Рис.1. Схема экспериментальной электроискровой установки: В - электромагнитный вибратор; Д - деталь; Э - электрод
Проведенные экспериментальные исследования показали, что при обработке высокотвердых деталей (твердость более 55 НИС) с помощью электротехнического комплекса получена максимальная прочность сцепления покрытия с основой 84 МПа. Металлизация проводилась проволокой ПП-ТП-2 при следующих оптимальных электрических режимах ЭИУ: U = 40 В, I = 0,6 A, C = 330 мкф, f = 100 Гц, Т = 120 с. При подготовке той же поверхности струйноабразивным методом получена максимальная прочность сцепления покрытия 46 МПа.
Нанесение покрытия осуществлялось послойно. Первый слой металлизировался при токе I = 200 А, U = 25 В. Второй слой наносился при I = 240 А, U = 27 В. На втором режиме образовалось плотное покрытие. Для исключения перенастройки металлизатора во время работы на пульте управления установлен переключатель режимов, позволяющий изменять режимы металлизации.
При обработке деталей с помощью электротехнического комплекса получено увеличение адгезионной способности слоя на 55% по сравнению с базовой технологией обработки поверхности.
Summary
The developed complex of the electrotechnical equipment is intended for restoration of details in power and provides two-stages processes of separately-consecutive influence on © Проблемы энергетики, 2005, № 1-2
products with an electrospark method with the subsequent electroarc processing. At processing by an electrotechnical complex the increase in adhesive ability of a layer at 55 % in comparison with base technology ofprocessing of a surface is received.
Литература
1. Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С. Л. Газотермические покрытия из порошковых материалов. - Киев: Наукова думка, 1987. - 534 с.
2. Иващенко Н.И. Технология ремонта автомобилей. - Киев: Издательское объединение «Вища школа», 1977. - 360 с.
3. Лазаренко Б.Р., Михайлов В.В., Гитлевич А.Е., Верхотуров А.Д. Распределение элементов в поверхностных слоях при ЭИЛ // Электронная обработка материалов. - 1977. - №3. - С. 28 - 33.
4. Лазаренко Б.Р., Лазаренко Н.И. Электроискровая обработка токопроводящих материалов.- М.: Изд-во АН СССР, 1958. - 184 с.
5. Новиков Ю.А. Применение наплавки и газотермического напыления для защиты энерготехнического оборудования от коррозии и механического изнашивания.- М.: Информэлектро, 1987.
Поступила 26.11.2004
© Проблемы энергетики, 2005, № 1-2
