CC BY
75
УДК 629.4.027.115-192
В. В. АРТЕМЧУК (ДПТ)
М1ЦН1СТЬ З'еДНАННЯ ДЕТАЛЕЙ з гарантованим натягом, В1ДНОВЛЕНИХ ШАРОВИМИ ПОКРИТТЯМИ
У статп викладено результати експериментальних дослвджень мiцностi з'еднання з гарантованим натягом деталей, ввдновлених електролiтичними шаруватими покриттями програмним електролiзом. Проведено порiвняльний аналiз структури вiдновлювального шару та мщносп нерухомого з'еднання, зразки яких були вiдновленi за розробленою технолопею зi зразками, ввдновленими на постшному струмi, а також не вщнов-леними взагалi.
В статье описаны результаты экспериментальных исследований прочности соединений с гарантированным натягом деталей, восстановленных электролитическими слоистыми покрытиями программным электролизом. Проведен сравнительный анализ структуры восстановленного слоя и прочности неподвижного соединения, образцы которых были восстановлены по разработанной технологии с образцами, восстановленными на постоянном токе, а также не восстановленных вообще.
The article deals with description of the results of experimental studies of strength of joints with guaranteed tightness for details restored with electrolytic layered coatings by means of programmed electrolysis. The comparative analysis of restored layer structure and strength of stationary joint, which samples were restored according to the technology developed, with the samples restored with direct current and the ones not restored at all is conducted.
Серед вщомих з'еднань деталей широке за-стосування знайшло з'еднання з гарантованим натягом. Цей вид з'еднання займае достойне мюце завдяки простой конструкци та високш експлуатацшнш надшносп, що дозволяе вуз-лам працювати у важких динамiчних умовах. На рухомому складi залiзниць Укра!ни таю з'еднання використовують у системi «шийка ос колюно! пари - внутршне кшьце шдшип-ника», а також посадки шдшипниюв або зубчато! шестерш на вали електричних машин.
На мщнють пресового з'еднання впливае багато чинниюв, серед яких: величина натягу, точнють геометри форм спряжених деталей, площа фактичного контакту, шорсткiсть спряжених поверхонь, матерiал деталей. Зрозумшо, що при вiдхиленнях вiд заданих форм мiцнiсть розглядуваного з' еднання зменшуеться, при критичних динамiчних навантаженнях може виникати «зрив» з початкового положення охо-плюючо! деталi, що, у свою чергу, може при-звести до аваршних ситуацiй. Правильнють геометричних форм спряжених деталей зале-жить вiд рiзних експлуатацiйних та технолопч-них факторiв (величини та характеру наванта-ження вузла, точност та якостi виготовлення нових деталей спряження, технолопчних опе-рацiй ремонту вузла тощо). Розглянемо деякi з них. В процес експлуатаци буксовий вузол е одним з найбшьш навантажених вузлiв рухомо-го складу i сприймае рiзноманiтнi по напрямку i силi, у тому чи^ й ударнi, навантаження.
Експлуатацiйний знос мае мюце внаслщок того, що буксовий вузол шд час руху електровоза практично постiйно знаходиться в умовах вiб-рацiйно-коливальних перемiщень. В досл> дженнях [1] вивчено явища, що призводять до коливального перемщення кiльця пiдшипника. Встановлено, що тд впливом вертикально при-кладених навантажень кшьце пружно деформу-еться, за рахунок чого в навантаженш зош воно щiльно прилягае до шийки осi, а в ненаванта-женш - умовно набувае провису. Спочатку зм> на геометри, розмiрiв i мiкрорельефу виникае вiд розпаду надлишково! кiлькостi аустенiту в загартованiй шдшипниковш сталi та зiм'яття нерiвностей поверхш осi. Далi вступае в дда корозiя двох рiзновидiв. Один з цих рiзновидiв, що спостерiгаеться на сполучених металевих поверхнях, характеризуеться збшьшенням зно-су тертьово! пари. Цей процес починаеться з ушкодження корозiею поверхневого шару ме-талу при роботi або, особливо, у перюд простою. По^м пiд впливом тертя продукти корози, що утворилися, безупинно зчищюються з ушкоджених поверхонь. При цьому, якщо щ продукти мають абразивш властивостi, то вони можуть зiшлiфовувати i деякий шар металу, зрiвнюючи таким чином невеликi корозiйнi по-глиблення, що з'являються. Зношення деталей, що виникае за таких умов, називаеться корозш-ним або корозшно-абразивним.
Проте, на нашу думку, у парi «колюна вiсь -внутршне кiльце пiдшипника» у бiльшому
ступеш дie другий рiзновид корозп, названий фретинг-корозieю, слiди яко! чiтко були пом^ш при оглядi.
Цей вид корози характеризуеться значною швидкiстю поширення i наростаючою штенси-внiстю, а також утворенням продукпв корози, вщмшних за складом i твердiстю вщ продуктiв iнших видiв корози (наприклад, електрохiмiч-но!). Тому фретинг-корозiя супроводжуеться появою на поверхнях, що контактують, темно-бурих або червоних оки^в залiза. Аналiз сл> дiв фретинг-корозп внутрiшнiх кiлець шдшип-никiв i осей колiсних пар показуе, що щ слiди мають рiзноманiтну форму i розмiри i пов'язанi, мабуть, iз вiдхиленнями вiд правильно! геометрично! форми контактних поверхонь, тобто обумовлеш конуснiстю i овальнiстю.
Контакты поверхнi металiв пiд впливом ви-соких навантажень i перемiщень (на малу величину або коливальних перемiщень) зазнають великих пластичних деформацш i внаслiдок чого активуються, що сприяе !х покриттю ок-сидними плiвками рiзноманiтноl товщини. Цi плiвки е бiльш крихкi, нiж основний метал i при наступних деформащях руйнуються i вщ-шаровуються. По суп вони е абразивом i тому, знаходячись у зош тертя, сильно сприяють руйнаци поверхнi металiв пари тертя. Крiм того, виявлеш нiтриди металiв також роблять сут-тевий вплив при високих навантаженнях на спряжеш поверхнi, що вiбрують, якими е еле-менти букси. Ушкодження фретинг-корозiею призводять до змши геометричних розмiрiв, порушенню точностi спряження поверхонь, а також до зниження мщност натягу деталей.
В буксах iз роликовими пiдшипниками ушкодження фретинг-корозiею спостерiгаються на поверхнi контакту шийок осей iз внутршш-ми кшьцями пiдшипникiв (при гарячiй посадцi) або з чопами (при втулковш посадщ) i на пове-рхнi контакту корпушв букс iз зовнiшнiми ю-льцями пiдшипникiв.
Як показали нашi дослiдження, штенсив-нiсть ушкодження фретинг-корозiею шийок осей та внутрiшнiх кшець пiдшипникiв на дшя-нках розташування переднього i заднього шд-шипниюв неоднакова: дiлянка осi бiля заднього шдшипника пошкоджуеться iнтенсивнiше, нiж шд переднiм. Можливо це пов'язано з тим, що деформацп вигину в зош розташування заднього шдшипника е бшьшими, шж у переднього. Також помiчено, що в буксах, обладнаних сфе-ричними пiдшипниками, таю ушкодження бшьш iнтенсивнi, нiж в буксах iз цилiндрични-ми шдшипниками. Це можна пояснити тим, що
першi мають бiльшу свободу для перемщення, чим iншi, i здатш викликати бiльше коливальне перемiщення в зонах посадкових поверхонь.
Границi коливальних перемщень, здатних викликати фретинг-корозiю, лежать вщ долей мiкрона до 1 мм. При цьому, чим бшьше ампл> туда таких перемiщень, тим штенсившше фре-тинг-корозiя.
Вплив навантаження як фiзико-механiчного фактора мае величезне значення i тiсно пов'яза-не з ампл^удою коливань. В мiру пiдвищення навантажень, що сприяють збшьшенню ампл> туди перемiщень сполучених поверхонь, штен-сивнiсть ушкоджень фретинг-корозiею зро-стае [1].
Технологiчний знос виникае за рахунок операцш, пов'язаних з ремонтом вщповщних вузлiв при розпресуванш та запресуваннi охоп-люючо! детал^ а також при усуненнi шлiфу-ванням овальностi, конусностi, короблення, а також сладв фретинг-корозп, рисок i т. iн.
Таким чином, наведеш вище фактори при-водять до зменшення мщносп пресового з'еднання, що значною мiрою може впливати на надшшсть експлуатаци вузлiв та безпеку руху рухомого складу. Для запобшання виник-нення вказаних негативних чинниюв необхiдно вживати попереднiх заходiв.
Оскшьки пiдбiр пiдшипника до осi колюно! пари за розмiром може бути довгим i трудомю-тким, а замша вала в електричнш машиш - також трудомiсткий та економiчно дорогий про-цес, тому виникае необхщшсть вiдновлення натягу нерухомого з'еднання шшими шляхами.
На даний час юнуе багато рiзноманiтних ре-сурсозберiгаючих технологiй вiдновлення поверхонь спряження. Одшею з розповсюджених е гальвашчне осадження металiв на поверхш деталей спряження. Але ця технолопя розвине-на для осадження покритпв з моношару. Знач-но розширюють можливост технологи вiднов-лення деталей використання багатошарових покриттiв з наперед заданими властивостями. Таке стосуеться й iнших поширених методiв вщновлення деталей, а саме наплавлення та газотермiчного напилення. З точки зору еконо-мiки та порiвнюючи переваги та недолши вказаних технологш, на нашу думку, для вщнов-лення натягу деталей вибiр доцшьно зробити на користь гальванiчних методiв.
Мiцнiсть пресових з'еднань залежить вщ сполучення матерiалiв деталей, а також вщ !х механiчних характеристик, величини натягу та режимiв технолопчно! обробки. Експеримента-
льш даш дозволяють вибрати матерiал, падбра-ти режими роботи вщновлювально! установки.
Вщновлювальний матерiал повинен вщпов> дати деяким вимогам, а саме: мщшсть нерухо-мого з'еднання вiдповiдати нормативнш документации можливiсть осаджувати покриття за загальною товщиною до 200 мкм; протистояти задирам i шшим можливим механiчним пошко-дженням при технолопчних операцiях (розпре-суваннi), зносу та корози [2].
З молекулярно-мехашчно! теори тертя вщо-мо, що умовами вщсутносп глибинного вири-вання е збiльшення мiцностi в глибину тша вiд поверхнi дотикання, повинна збершатися задана величина входження одного металу в iнший, яка не створюе умови для штенсивного руйну-вання в результатi деформацш вiд втоми. Необ-хiдно, щоб при осьовому чи круговому зсувах одше! деталi вiдносно шшо! створювався висо-кий коефiцiент тертя зчеплення, а пари тертя слщ тдбирати за величиною сил тертя.
Забезпечення мщност пресових з'еднань можливе, якщо сумарна сила тертя контактую-чих спряжених поверхонь буде бiльше осьово! сили, що дiе на пресове з'еднання: Р < Р . Силу тертя визначимо за формулою
Р = Р/Зфк ,
де р - питомий тиск; / - коефщент тертя; £фк - фактична площа контакту.
У момент зриву (зсуву) величина осьового навантаження бшьше або дорiвнюе загальнiй силi тертя: Рз > Р .
1з наведених виразiв видно, що сила тертя залежить вiд питомого тиску р, коефщенту тертя / та площi контакту спряження £фк. Питомий тиск залежить р вщ величини натягу, вщ статичних i динамiчних навантажень, а та-кож вiд контактно! площь Величина натягу ви-значаеться нормативною документацiею, тобто впливати на силу тертя через питомий тиск не е можливим. На коефщент тертя / можна впливати головним чином за рахунок контак-туючого матерiалу, чистоти обробки спряжених поверхонь та наявност промiжних вщновлюю-чих шарiв. Контактна площа залежить вщ гео-метричних розмiрiв спряжених деталей, питомого тиску, шорсткосп та матерiалiв, що кон-тактують. Фактична площа складае певну час-тину геометрично! площi контактного тиску = 2пг1 .
Аналiзуючи вищевказане, можна зробити висновок, що найбшьш ефективними факторами впливу на силу тертя при заданш величин натягу е контактний матерiал та чистота обробки спряжених поверхонь. Ц фактори вплива-ють i на контактну площу (фактичну), i на кое-фiцiент тертя, що у свою чергу, дае можливють збшьшити несучу здатнiсть пресового з'еднання.
В роботi [3] були порiвнянi рiзнi матерiали: нiкель, хром, мщь, цинк та олово. Але нанесен-ня покриття вiдбувалось моношаром, що в де-якiй мiрi обмежуе можливостi, особливо при нанесенш вiдносно товстого вiдновлювального шару. Нами було дослщжено вiдновлення натягу за допомогою вказаних матерiалiв, а також електрол^ичного залiза при стацюнарних режимах та програмному електролiзу.
Гальванiчнi покриття осаджували на зразки у формi валикiв дiаметром 30 мм довжиною поверхонь спряження 50 мм з натягом пресового з'еднання 35 мкм. Для визначення мщност з'еднання виконували розпресовку зразюв та порiвнювали !х зусилля. Для цього було виго-товлено 10 комплекпв зразкiв вищезазначених розмiрiв, яю пiдлягали покриттю рiзними мета-лами (товщиною 35...40 мкм), а також зразки без покриття. Метою експериментальних до-слщжень було проведення порiвняльного анал> зу комбiнацi! нанесених матерiалiв покриттiв та режимiв за декшькома показниками. При пла-нуванш експериментiв враховувались результа-ти попередшх дослiджень науковцiв [4, 5]. В робот [4] наведенi середнi значення коефщен-тiв тертя покриттiв при розпресуванш: хрому -вання 0,82; шкелювання 0,73; мiднення 0,48; кадмування 0,43; цинкування 0,53; без покриття 0,18. Заслуговуе уваги високий коефщент тертя хромування та шкелювання.
При нанесенш покритпв режими тдбирали таким чином, щоб щ покриття мали шарувату структуру, причому шари мали рiзну мшротве-рдiсть. Це здiйснювалось за допомогою елект-ричних режимiв, змшюючи дiючi значення та тривалiсть прямого i зворотного iмпульсiв. За даними експериментальних дослщжень було отримано залежносп зусилля розпресовки вiд натягу пресового з'еднання (рис. 1). Середне значення сили розпресовки при значенш натягу 5 = 35 мкм для кожного виду зразюв наведено у табл. 1.
Як видно iз графиюв та табл. 1, найбшьше значення сили розпресування з'еднань нале-жить покриттю iз шаруватого хрому. Можливо,
таке можна пояснити високим коефщентом тертя даного матерiалу.
Р., кН
40
30
20
10
0
Ь, мкм
лу. Цинк вiдноситься до групи анодних покрит-тiв, яю створюють на поверхнi металу стиску-ючi залишковi напруження, що позитивно впливае на основний метал детал^ тобто мщ-нiсть втоми практично не зменшуеться.
Таблиця 1
Значення сили розпресовки пресових з'еднань з рiзними покриттями
Рис.1. Розпресовочш характеристики пресових з'еднань без покриття - 1 та з електролггичними покриттями: оловом - 2, шаруватим зал1зом - 3, мщдю - 4, цинком, осадженим постшним струмом -5, шкелем - 6, шаруватим цинком з шдшарком заль за - 7, шаруватим цинком, осадженим програмно -8, шаруватим хромом - 9
Однак дослщження показали, що при роз-пресуванш зразюв, на контактуючих поверхнях з покриттями мщ, нiкелю й особливо хромом мали мiсце задири, вириви металу, тобто т по-шкодження, яю призводять до пiдвищеного технологiчного зношення. Крiм того, треба враховувати, що хромування, нiкелювання та мiднення - це катодш покриття, якi створюють на поверхш металу розтягуючi залишковi напруження, а це, у свою чергу, знижуе мiцнiсть втоми охоплених деталей. Тому, на наш погляд, серед вказаних покритпв е доцшьним викорис-тання хромових покритпв за умови, якщо спряженi деталi не будуть розпресовуватись. Якщо деталi в подальшому будуть розпресову-ватись, то мае сенс використовувати програм-ний електролiз з нанесенням шаруватого цинку або комбшаци: залiзнення - цинкування. Такий пiдхiд пiдтверджуеться результатами досл> джень - пiсля розпресування охоплеш деталi не мали пошкоджень, що е дуже важливим з точки зору технологи ремонту. При посадщ валика з м'яким гальвашчним покриттям (мiддю, цинком, оловом) в охоплюючу деталь, за рахунок пластично! деформаци металу, в зош контакту виникають мiцнi металiчнi зв'язки та збшьшу-еться площа фактичного контакту. Застосуван-ня таких матерiалiв у пресових з'еднаннях не знижуе мщносп вiд втоми основно! деталi за рахунок низько! межi плинностi м'якого мета-
Вид покриття Сила розпресовки Рв, кН Поршняльна мщшсть з'еднань, в. о.
Без покриття 9,4 1
Олово 8,7 0,93
Шарувате зал1зо 11,2 1,19
М1дь 13 1,38
Цинк на постш-ному струм1 14,1 1,5
Шкель 16,7 1,78
Шаруватий цинк з шдшарком зал1за 20,1 2,1
Шаруватий цинк програм-ний 23 2,44
Шаруватий хром 26,2 2,79
Для деталей з твердим гальвашчним покриттям (шкелем та хромом) та без нього хара-ктерним е пружно-пластичш деформаци зi сла-бовираженою пластичнютю (спостерiгаеться пропорцiйна залежнiсть зростання мщносп пресового з'еднання вiд натягу). Розпресовочш характеристики зразкiв з мiдним покриттям в> дображають характернi пружно-пластичнi деформаци, а пресовi з'еднання з покриттям цинку та олова - пластичш. Дослщження зони контакту з'еднання з м'яким гальвашчним покриттям на металографiчному мшроскош дозволили встановити, що пластичш деформаци вщбува-ються у самому покритп.
Щдвищення мiцностi пресових з'еднань з програмним шаруватим цинковим гальвашч-ним покриттям у порiвняннi з цинком, осадженим на постшному струмi можна пояснити бшьш дрiбнозернистою структурою окремих шарiв (розмiри зерен цинку складають 0,7...0,8 мкм проти 15... 16 мкм на постшному струм^, бшьшою щiльнiстю (розмiри блокiв моза!ки дорiвнюють 40...50 нм проти 500 нм на постшному струм^. Результатом цього е збшь-
шення м1кротвердосп осаджених шар1в до Н^= 1550...1600 МПа (на постшному струм1
Н^= 700...750 МПа ). Чередування м'яких та
бшьш твердих шар1в дозволяють розподшяти внутршш напруження, що виникають у по-критп м1ж шарами, отримувати високу мщ-шсть зчеплення, бшьший коефщент тертя, у 2...2,5 рази тдвищити силу розпресовки, а також значно покращити корозшну стшюсть спряжених деталей пресових з'еднань.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Генич, Б. А. Предотвращение фретинг-корозии в буксах с роликовыми подшипниками [Текст] / Б. А. Генич, В. Г. Кузнецов, Б. З. Акбашев // Тр. ВНИИЖТа. - 1959. - Вып. 171. - С. 67-74.
2. Инструкция по содержанию и ремонту узлов с подшипниками качения локомотивов и мотор-вагонного подвижного состава [Текст]. - М.: Транспорт, 1980. - 129 с.
3. Михал1ченко, П. £. Вщновлення натягу пресового з'еднання буксових вузл1в рухомого складу зал1зниць [Текст] / П. £. Михал1ченко, М. О. Костш // Зал1зн. трансп. Украни, 2004. -№ 5. - С. 47-49.
4. Лукашевич, Г. И. Прочность прессовых соединений с гальваническими покрытиями [Текст] / Г. И. Лукашевич. - К.: Гостехиздат УССР, 1961. - 59 с.
5. Ильин, В. А. Цинкование, кадмирование, оловя-нирование и свинцевание [Текст] / В. А. Ильин. - Л.: Машиностроение, 1983. - 86 с.
Надшшла до редколегп 23.06.2008.
