Расчет энергосиловых параметров установки для испытания металлов и сплавов на ударно-абразивный износ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

НАДЕЖНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

УДК 621.178.1.05

В.В. Бахметьев, В.М. Колокольцев, А.С. Савинов, П.С. Лимарев

РАСЧЕТ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НА УДАРНО-АБРАЗИВНЫЙ ИЗНОС

История развития различных отраслей машиностроения показывает, что в большинстве случаев основной причиной снижения долговечности деталей машин, механизмов и инструмента является изнашивание. В результате изнашивания сокращается эффективное время их работы и расходуются огромные средства на ремонт, восстановление и замену изношенных деталей. Конечная цель изучения изнашивания - повышение износостойкости и продление срока службы машин и инструмента.

Различие условий, в которых работают пары трения при эксплуатации машин, обусловливает, в свою очередь, проявление принципиально отличных видов изнашивания.

Наиболее интересным видом с точки зрения исследования является ударно-абразивное изнашивание. Оно происходит при ударе по твердым частицам, способным поражать поверхность контактирования путем образования на ней лунок -следов прямого динамического внедрения этих частиц. Качественным признаком ударно-абразивного изнашивания является специфическая по-

Рис. 1. Схема испытательной установки

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 2. -

верхность, представляющая собой сочетание лунок, разделенных перемычками. На поверхности, подверженной ударно-абразивному изнашиванию, нет направленной шероховатости в виде рисок, а следовательно, нет относительного перемещения твердых частиц вдоль этой поверхности.

В процессе работы ударно-абразивному изнашиванию подвергаются инструменты, работающие в нефтяной и горной промышленности, машиностроении, строительстве. Процесс изнашивания происходит при соударении инструмента непосредственно с абразивом в виде горной породы, грунта, массы песка или металлической поверхностью другой детали, на которой имеется абразив в месте контакта.

В механизме ударно-абразивного изнашивания проявляется малоцикловая усталость микрообъемов металла, вызванная повторным приложением динамической нагрузки при упругом и упругопластичном контактах. В основе механизма изнашивания лежат прямое динамическое внедрение в металл твердой частицы и связанная с ним деформация, завершающаяся разрушением микрообъемов металла и образованием частиц износа. Твердая частица, внедряясь в поверхность изнашивания, стремится сдвинуть металл перемычек путем повторного деформирования или хрупкого изнашивания в зависимости от его твердости. В таких условиях взаимодействия твердой частицы с поверхностью изнашивания срез становится ведущим процессом образования частиц износа, а сопротивление срезу или отрыву - основным критерием износостойкости.

Для оценки рассматриваемого вида изнашивания была спроектирована установка, представленная на рис. 1. При ее создании учитывалась методическая необходимость в максимальном приближении характера нагружения испытуемых образцов к реальным условиям работы деталей машин.

---------------------------------------------55

Установка работает по принципу принудительного многократного соударения образца с контробразцом, между поверхностями которых в момент соударения подается слой абразива из дозирующего устройства.

Ударный механизм содержит приспособления для крепления образца 1 и грузов 2, с помощью которых регулируют скорость удара образца 1 о сменный вкладыш 3 наковальни 4 с погрешностью не более 2,5%, а также устройство, содержащее сменные торсионы 5, обеспечивающие задание энергии удара с погрешностью не более 2,5% при закручивании торсиона на угол не менее 15°, и ударник 6 с заданным моментом инерции относительно оси. Угол наклона ударника на заданный угол обеспечивается при помощи кулачка 7.

Привод должен обеспечивать частоту соударений образца 1 и сменного вкладыша 3 наковальни 4 в количестве 100 мин-1 с погрешностью поддержания заданной частоты не более 1 мин-1.

Бункер 8 с направляющим каналом 9 предназначен для подачи потока частиц абразивного материала 10 в зону соударения. Неподвижная наковальня должна иметь массу не менее 50 кг. Сменный вкладыш, устанавливаемый в наковальне, выполняют из стали 45 по ГОСТ 1050-74 твердостью НУ 640-675 (закалка 840°С в воде, температура отпуска 100°С).

Эталонные образцы выполняют из стали 45Л по ГОСТ 1050-74 с твердостью НV=598-622 (закалка 840°С в воде, температура отпуска 200°С).

Сменные вкладыши наковальни и образцы из эталонного и испытуемого материалов изготавливают по 3-му классу точности.

Непараллельность закрепленных в установке и взаимно прижатых рабочих поверхностей сменного вкладыша наковальни и испытываемого образца - не более 0,05 мм.

Абразивный материал - карбид кремния черный по ГОСТ 3647-71, зернистостью 0,03 мм и с относительным содержанием влаги не более

Начальное положение 'бойка

L 4

Мкр-Мвнешн-Ра

A - A iy

Щ

ivL

Jb

Положение бойка при приложении нагрузки Р

Эп. Мк

0,15% по массе используют для общей сравнительной оценки износостойкости материалов при стандартных режимах испытаний.

Для оценки износостойкости применительно к конкретным условиям изнашивания допускается использовать абразивный материал, соответствующий воздействующему материалу при эксплуатации изделия.

Износ образцов определяют взвешиванием их с погрешностью не более 0,0002 г до и после испытаний. Потеря массы образца вследствие износа при испытаниях должна составлять не менее 0,005 г.

Для промывки образцов перед испытаниями и взвешиванием используют бензин или ацетон по ГОСТ 2768-79.

В пределах одной серии испытаний технология изготовления образцов должна быть одинаковой.

При общей сравнительной оценке износостойкости материала проведение эксперимента регламентируется следующими параметрами ГОСТ 23.207-79 «Метод испытаний машиностроительных материалов на ударно-абразивное изнашивание»:

энергия удара Еуд 4,9 Дж;

скорость бойка в момент соударения V 1 м/с; частота соударений п 100 мин-1.

При этом энергия удара Еуд напрямую зависит от потенциальной энергии бойка, получаемой при скручивании торсионной пружины установки.

Так как крутящий момент и жесткость стержня не меняются по длине пружины, то потенциальную энергию торсиона при кручении можно найти из следующей формулы [ 1]:

U„

мКр L

2GI

(1)

Рис. 2. Расчетная схема нагружения бойка ударно-абразивной установки

где Мкр - внутренний сосредоточенный момент, возникающий при скручивании торсиона, кН-м; Ь - длина торсиона, м; О - модуль сдвига, коэффициент, учитывающий сопротивление материала деформации при кручении, МПа; 1Р - поляр-

4

ный момент инерции, м .

Торсионная пружина может рассматриваться как балка с защемленным концом (рис. 2), поэтому внутренний момент Мкр, исходя из метода сечений [2], будет распределен равномерно по всей длине пружины и численно равен внешнему Мтешн.

Учитывая, что боек под действием силы Р переместится на абсолютный угол закручивания р, а длина бойка а, то внешний момент будет равен [1]

56

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 2.

x

М.

= Pa.

(2)

Полярный момент инерции торсиона, имеющего в поперечном сечении форму прямоугольника высотой Н и шириной основания Ь (см. рис. 2), можно рассчитать по формуле [ 1]

(3)

где 1Х и 1у - осевые моменты инерции относительно центральных осей х и у соответственно, м4.

В данном случае осевые моменты инерции находятся по формуле [3]

F =

ЬИЪ 12 ; = ИЬЪ y = 12

(4)

(5)

Иногда при проектировании установки значение модуля сдвига О не совпадает со справочными данными. В этом случае значение модуля сдвига необходимо проверить по следующей формуле [2]:

G=

М- внешнL

Iv '

(6)

где р - абсолютный угол закручивания (см. рис. 2),

рад.

Полная энергия бойка, полученная при приложении к нему усилия Р, состоит из потенциальной энергии скрученной пружины ипруж и потенциальной энергии плеча а. При ударе данная энергия переходит в потенциальную энергию сжатия образца, отбойника и энергию, затраченную на пластическую деформацию. При этом полная энергия бойка в момент удара есть регламентированный параметр энергии Еуд, (Дж).

То есть

= U_ + иб,:йка = иобр + UT + U

тотб

пруж

пл.деф

, (7)

Так как величина энергии, затраченной на пластическую деформацию, мала по сравнению с потенциальной энергией системы «боек-отбойник», то данную потерю энергии можно приравнять к нулю. Исходя из данных допущений формула (7) примет вид:

отб

(8)

При соударении отбойника и бойка сила воздействия на образец меняется от максимального значения ^тах в момент соприкосновения с отбойником до нулевого -^0=0 в момент получения образцом максимальной потенциальной энергии деформации , откуда среднее значение воздействия усилия на образец равно

(9)

где Рср - среднее усилие воздействия на образец, Н; ^тах - максимальное усилие на образец, Н; ^0 -усилие при получении системой «боек-отбойник» максимальной потенциальной энергии, Н.

Так как силы, воздействующие на боек и отбойник, равны между собой, то полную деформацию системы «боек-отбойник» найдем по формуле [2]

Д/ = ■

FL

ср обр

FL

+ -

ср отб

Е s Е S

обр обр отб отб

(10)

где Еуд - регламентированная ГОСТ 3.207-79 энергия удара бойка; иб™ка - потенциальная энергия при изгибе плеча бойка; и^ф - потенциальная энергия при деформации образца; и деф -

потенциальная энергия при деформации отбойника; ипл.деф - энергия, затраченная на пластическую деформацию.

Вследствие того, что крутильная жесткость пружины О1р много меньше жесткости плеча бойка при изгибе ЕІ, потенциальной энергией изгиба плеча бойка можно пренебречь.

где Мсист - полная деформация системы при сжатии, м; Ьобр, Ьотб - соответственно длина образца и отбойника от свободного конца до места защемления, м; Еобр, Еотб - соответственно модуль упругости образца и отбойника, МПа; 8обр, 8отб -соответственно площадь поперечного сечения образца и отбойника, м2.

Учитывая, что энергия торсионной пружины полностью переходит в работу, выполненную при деформации системы, а направление вектора усилия удара бойка совпадает с направлением перемещения деформации образца, то работу, выполненную бойком при сжатии стержня, найдем по формуле [4]

Ауд = Fcp -Д1сист = Uпруж,

(11)

где Ауд - работа, выполненная бойком при ударе, Дж.

Откуда

Д/ = UпPУж

F

(12)

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 2.

Приравняв выражение (10) и (12), нетрудно найти результирующую силу удара бойка:

FcP =

(

U.

пруж

L

обр

Е S

^ обр обр

L

Л

-1

'отб

Е S

отб отб J

(13)

Полная энергия системы складывается из потенциальной энергии сжатия образца и отбойника (8):

ттсист ____ ттобр ттотб

U пот = U деф ' U деф ,

(14)

где исотт - полная энергия системы «боек-отбойник», Дж.

При условии, что удар приходится в центре тяжести поперечного сечения стержня, потенциальную энергию деформации при сжатии образца и отбойника можно рассчитать по формулам [2]:

Д/ •Е • S

U обр = обр ^ обр и обр U деф =

2Lобр

Д/ Е S

ттотб _ _отб отб отб U деф ~

2L

(15)

(16)

отб

Рис. 3. Установка для определения ударноабразивной износостойкости металлов и сплавов

а б

Рис. 4. Фотографии поверхности разрушения стальных образцов после испытаний магнезитом (а) и кварцевым песком (б)

где Д/оф, Д1отв - абсолютное уменьшение длины образца и отбойника при ударе соответственно, м.

Искомые деформации рассчитаем по формулам [1]:

Д/обр =

FL

Д/отб =

ср обр

Е S

обр обр

FL

ср отб

Е S

отб отб

(17)

(18)

Подставив значения, полученные по формулам (15)-(18), в формулу (14), найдем и“ .

Полная потенциальная энергия сжатия системы равна кинетической энергии бойка в момент удара

тбойка

сист б

пот

(19)

где Uбо™ - кинетическая энергия бойка, Дж. Следовательно [4],

U с

2

(20)

где тбойка - масса бойка, кг; Vбойка - скорость бойка в момент удара, м/с.

Из формулы (20) нетрудно рассчитать скорость бойка и сравнить ее с регламентированной.

бойка

2U.

сист

пот

m

(21)

бойка

Все полученные расчеты позволяют выбрать необходимые параметры проектируемой установки, что дает возможность проводить испытания образцов с хорошей достоверностью.

На основе представленных расчетов спроектирована и изготовлена установка, общий вид которой приведен на рис. 3.

На изготовленной установке проведены испытания образцов из литейных сталей на ударноабразивный износ при воздействии двух различных абразивов - магнезита и кварцевого песка. Полученные результаты представлены в таблице, а фотографии поверхности разрушения - на рис. 4.

Полученные результаты подтвердили правильность вышеизложенных расчетов и возможность использования установки для получения достоверных результатов испытаний.

Проведенные испытания показали, что наиболее высокую ударно-абразивную износостойкость имеет сплав следующего химического состава: С=0,5, Мп=14, Ті=0,15, №=0,2, В=0,006.

58

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 2.

2

m v

бойка бойка

Результаты испытаний стали на ударно-абразивный износ абразивного материала. Рельеф по-

верхности разрушения при воздействии магнезита характеризуется глубокими лунками, что обусловлено более глубоким проникновением частиц. При использовании в качестве абразива кварцевого песка рельеф поверхности разрушения представляет собой совокупность мелких неглубоких лунок. Такой вид рельефа характерен для стальных образцов, изношенных в присутствии абразивных материалов, незначительно превышающих по твердости материал образцов. Недостаточная твердость аб-Изучение поверхности разрушения образцов разивного материала не позволяет ему глубоко

позволяет сделать вывод, что на формирование внедряться в поверхность, и по этой причине ве-

ее рельефа большое влияние оказывает твердость личина износа незначительна.

Библиографический список

1. Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов. М.: Высш. шк., 1975. 654 с.

2. Степин П.А. Сопротивление материалов. М.: Интеграл-Пресс, 1997. 320 с.

3. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Гостехиздат, 1960. 376 с.

4. Олофинская В. П. Техническая механика. М.: Форум-Инфра-М, 2005. 349 с.

Химический состав* Ки, уд** HRC

Маг- не- зит Кварцевый песок до испы- таний после испыта- ний

С=0,9, Mn=14, Ti=0,05, Nb=0,4, B=0,006 2 1,72 17 20

С=0,5, Mn=18, Ti=0,05, Nb=0,2, B=0,006 1,63 1,42 15 18

С=0,9, Mn=18, Ti=0,05, Nb=0,2, B=0,003 1,81 1,54 19 23

С=0,5, Mn=14, Ti=0,15, Nb=0,2, B=0,006 2,3 1,99 22 25

С=0,9, Mn=14, Ti=0,15, Nb=0,2, B=0,003 1,77 1,61 18 21

С=0,5, Mn=18, Ti=0,15, Nb=0,4, B=0,003 1,83 1,76 17 19

* Также сплавы содержали Б1 до 0,5%, Б до 0,006%, Р до 0,04%

** Коэффициент износостойкости сплавов при ударно-абразивном износе

УДК 621.771

В.Ф. Дьяченко, Ю.В. Жиркин, С.И. Платов, Е.И. Мироненков

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ РАБОЧИХ ВАЛКОВ СТАНА 2000 ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ ОАО «ММК»

В условиях рыночной экономики для достижения высокой эффективности листовой прокатки особое значение приобретают проблемы обеспечения экономически целесообразного уровня надежности оборудования.

Среди путей решения указанной проблемы важное место занимает эффективная работоспособность подшипниковых узлов рабочих валков станов горячей прокатки.

В чистовой группе клетей № 7-13 стана 2000 горячей прокатки для смазывания подшипниковых узлов рабочих валков применяется минеральное масло Mobil Vacuoline 146, класс вязкости 460. Доставка смазочного материала в узлы трения осуществляется автоматизированными системами смазывания «масло-воздух».

От эффективности уплотнительных устройств зависят свойства смазочных материалов, которые, в свою очередь, являются одним из главных факторов, определяющих ресурс подшипниковых узлов рабочих валков. При проведении исследования эффективности уплотнительных устройств важно выяснить характер изменений свойств сма-

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 2.-----

зочных материалов, находящихся непосредственно в подшипниковом узле. Мониторинг свойств минерального масла, используемого в подушках рабочих валков, проводился с 2005 по 2006 год.

С этой целью брали пробы масла (исходного, после фильтрации, после смешивания с воздухом) из всех четырех подшипниковых узлов рабочих валков для всех клетей чистовой группы стана и выполняли соответствующие испытания.

При испытаниях определяли: вязкость минерального масла, содержание воды, кислотное число, количество механических примесей.

Результаты испытаний показали следующее: во всех подушках рабочих валков отработанное масло содержит воду, что свидетельствует о недостаточной эффективности уплотнительных устройств.

Наряду с содержанием воды в масле находятся и механические примеси, причем их количество возрастает при переходе от 7 к 13 клети.

Таким образом, характер нарастания количества механических примесей коррелируется с возрастанием частоты вращения валков.

---------------------------------------------59