CC BY
3DOI: 10.24412М-37269-2024-1-121-125
РЕНОВАЦИЯ РЕЖУЩЕЙ КРОМКИ НОЖА СРЕДНЕГО ОТВАЛА ТЯЖЕЛОЙ ДОРОЖНОЙ ТЕХНИКИ, ЭКСПЛУАТИРУЮЩИЙСЯ В УСЛОВИЯХ ЯКУТИИ
Слепцов ПН.1, Слепцов О.И.1, Ноев ИИ.1 2, Солдатов К.В.1
1 ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН» Институт физико-технических проблем Севера СО РАН, г. Якутск
2 ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова»,
г. Якутск [email protected]
В настоящей работе раскрыта особенность эксплуатации тяжелой дорожной техники на территории Якутии. Содержание автомобильных дорог в работоспособном состоянии, в экстремальных условиях Севера и Арктики, обеспечивается использованием автогрейдеров. Основным изнашиваемым рабочим органом данной тяжелой дорожной машины является средний нож отвала автогрейдера. Ввиду сезонностью эксплуатации, отсутствием специализированных сервисных центров, сложностью схемы логистики по доставке запасных частей из центральных областей России, одним из решений обеспечения работоспособности автогрейдера эксплуатирующими организациями является восстановление режущей кромки ножа среднего отвала автогрейдера с помощью ручной дуговой сварки.
Как известно, эксплуатация техники при экстремальных природно-климатических условиях Севера и Арктики значительно снижают работоспособность и долговечность технических систем и конструкций. Анализ отказов техники и конструкций на территории Якутии в зимнее время по сравнению с летним периодом показывает, что поток отказов ряда деталей, узлов техники и аварий конструкций увеличивается в 2-3 раза, а по некоторым данным до 6 раз, что наносит экономике России колоссальные убытки [1].
Сеть автомобильных дорог на территории Республики Саха имеет протяжённость свыше 30 тыс. км, из которых более половины представлены временными (сезонными) дорогами-автозимниками. В настоящее время в республике эффективное использование автомобильного транспорта резко снижается в связи сезонностью эксплуатации автомобильных дорог общего пользования, большая часть грузоперевозок ведётся по зимникам.
Например, за Казенным предприятием Республики Саха (Якутия) «Дороги Арктики» на праве оперативного управления закреплено 8 178,17 км автомобильных дорог общего пользования регионального и межмуниципального значения, из них 477,74 км - дороги с твердым покрытием, 7 700,43 км - автозимники (в т.ч. 886,93 км - объездные дороги), которые проходят по 9 Арктическим улусам РС(Я) (муниципальным районам региона) [2, 3].
Как видно из предоставленной информации, содержание указанных автомобильных дорог в работоспособном состоянии, в экстремальных условиях Севера и Арктики, обеспечивается специализированной тяжелой дорожной техникой, в частности автогрейдером. Основным изнашиваемым рабочим органом данной тяжелой дорожной машины является средний нож отвала автогрейдера. Причиной снижения ресурса эксплуатации средних ножей являются ударно-абразивный износ по разным категориям грунта и льда. Ввиду огромных расстояний применения автогрейдеров на арктических участках автодорог Якутии, существует проблема сложной логистики и своевременной доставки ножей. Единственным разумным решением для эксплуатирующих организаций является восстановление режущей кромки ножа среднего отвала автогрейдера на ремонтных мастерских дорожных участков, с помощью ручной дуговой сварки. Поэтому создание научно-обоснованной технологии реновации (восстановления) режущей кромки ножа при помощи ручной дуговой сварки является весьма актуальной для нашего региона.
Для исследования нам был предоставлен изношенный нож среднего отвала трехосного автогрейдера Volvo G930, весом 15,6 т., марки XCMG GR215 (арт. 040100011) производства КНР, состоящий из двух сегментов размерами 1825х170х154х18мм и 1825х152х82х18 мм (см. рис. 1, рис. 2). Как видно из рисунков 1 и 2, нож имеет неравномерный износ по всей длине, который показывает характер его использования на среднем отвале автогрейдера под скоком (углом) для выравнивания грунтовых и ледовых автодорог.
Рис. 1. Общий вид фрагментов ножей среднего отвала автогрейдера Volvo G930
1825
Нож №1-ле6ый 1825
180
! S3 ■//////////////ssaw^m;,,,,,,,,,.;! Л,............... st
Нож №2 - праВый
Рис. 2. Геометрические размеры изношенных ножей среднего отвала и профиль износа
Если рассмотреть процесс резания грунта средним отвалом автогрейдера несколько подробнее, то он выглядит следующим образом: в первую очередь, возникает контакт и вдавливание клина рабочего инструмента в грунт. По мере нарастания усилия резания происходит скол крупного куска грунта. В этот момент ранее тяжело нагруженный клин резко освобождается от нагрузки, но тут же ударяется о следующий массив грунта. В результате, такой процесс можно охарактеризовать как чередование пиков ударной нагрузки с периодами статического нагружения. Относительно короткий период использования рабочего органа напрямую связан с огромным увеличением силы резания при работе изношенными ножами. При продвижении в грунте, кроме сопротивления от движения своей передней части, изношенный нож преодолевает сопротивление площадки износа, имеющей небольшой отрицательный угол относительно основной траектории резания.
Нужно отметить, что износ ножей не равномерен. Вблизи режущей кромки нож контактирует своей поверхностью с частицами грунта, которые ещё являются частью грунтового массива (см. рис. 2). Они действуют на нож как резцы, интенсивно изнашивая его кромку. По
мере удаления от режущей кромки увеличиваются деформации и напряжения в грунте, частицы грунта становятся подвижными, теряя структурные связи между собой. Их перемещение по поверхности резца можно определить как перекатывание, что, конечно, уменьшает абразивное воздействие на плоскость резца, однако давление на грунт возрастает [4].
Средний срок службы режущей кромки очень сильно зависит от целого ряда показателей. К ним он относит тип грунта или льда, температура окружающей среды в котором работает техника, и материал самого ножа, толщина, а также навыки оператора. Ножи отвала относят к категории расходных материалов, средний срок службы в условиях работы Якутии составляет от 500 до 1000 моточасов [5].
Проведенный анализ фрагмента ножа на оптико-эмиссионном стационарном анализаторе СХЯ-980, ЦКП ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН» показал, что маркой стали ножа среднего отвала автогрейдера является аналог стали 14Г2 (табл.1), с измеренной средней твердостью 400 НВ, что говорит о его соответствующей термообработке.
Таблица 1. Химический состав ножа автогрейдера
Материал Наименование показателя,%
С 81 Мп Сг N1 Р 8 Си
№ 1 0,24 0.26 1.15 0.17 0.02 0.012 0.007 0.03
14Г2 0,12- 0,17- 1,2-1,6 <0,30 <0,30 <0,03 <0,035 <0,30
ГОСТ 19281- 0,18 0,37
2014
Сталь 14Г2 является конструкционным низколегированным марганцовистой сталью с повышенной прочностью, которая применяется при производстве крупных листовых конструкций, работающих при низких температурах до -70 °С.
Как известно свариваемость сталей оценивается такими признаками как склонность к образованию горящих и холодных трещин в сварном соединении. Вероятность появления при сварке или наплавке горячих трещин определяется по показателю Уилкинсона (Н.С.£.) [6]:
Н. С.Б. = —-25-100)-1О3 (1)
3Мп-Сг-Мо-У 4 7
Условием появления горячих трещин является Н.С^> 2.
Для оценки склонности металла к появлению холодных трещин чаще всего используется углеродный эквивалент, которым можно пользоваться как количественным показателем, характеризующим свариваемость. Наиболее распространенным и приемлемым для сталей повышенной прочности, является следующее выражение:
Сэкв = С+ — + — + —+ — + — + — (2)
экв 6 24 10 5 4 14 4 '
Кроме углеродного эквивалента для определения и оценки свариваемости сталей, и также для расчета температуры предварительного подогрева существуют несколько параметрических формул, которые необходимо учитывать. Далее производится расчет количественного параметра трещиностойкости свариваемого материала Р^, который в мировой практике и в России широко известен под названием формулы Ито-Бессио [7].
Рм=с+^1 + Мп-^и-^г + М1 + М0+^+5В (3)
см 30 20 60 15 10 4 '
= + (4)
где t - толщина свариваемого металла, мм; Н - содержание водорода в металле шва.
Для расчета температуры предварительного подогрева мы использовали нашу апробированную формулу расчета температуры предварительного нагрева, с учетом ширины зоны нагрева, толщины листа, времени нагрева до заданной температуры, также температуры окружающей среды [8].
Расчет температуры предварительного подогрева был произведен по следующей фор-
муле:
JT _ JT
'под
о exp(-bt)
to
(5)
(2а)
где вхр(-Ы) - член, учитывающий теплоту рассеяния; Ъ = ; Г1 и Г2 - краевые условия уравнения теплопроводности.
По данным, полученным при определении химического состава (см. таблицу 2) и расчетам с применением формул 1-5, получены следующие данные:
Таблица 2. Расчетные данные по свариваемости
№ Наименование параметров Описание
1. H.C.S.=1,24 средняя вероятность возникновения горящих трещин при сварке
2. Сэкв = 0,45 ограниченно свариваемая, сварка с предварительным или сопутствующим подогревом до 2500С. Строгое соблюдение режимов сварки
3. Pw = 0,43 средняя вероятность риска возникновения холодных трещин в сварном соединении
4. Тпод = 230 0С Расчетная температура предварительного подогрева
На основе проделанных работ нами предложена технологическая карта процесса реновации режущей кромки ножа среднего отвала тяжелой дорожной техники, где отражены соответствующие режимы наплавки, требования к помещению, способы и приспособления для получения оптимальной структуры восстанавливаемого объема изношенного рабочего органа тяжелой дорожной техники с использованием отечественных доступных сварочных материалов.
Заключение. Полученные расчетным путем данные, раскрывают основные параметры технологии наплавки и требуют выполнения следующих мероприятий:
1. Предварительный подогрев при сварке обязателен, так как сталь относится к ограниченно свариваемым сталям. Ширина зоны предварительного подогрева 50.. .150 мм в каждую сторону от оси наложения шва. Температура предварительного подогрева для изделий из данной марки стали не ниже 150 0С и не более 300 0С, сопутствующий подогрев 200 0С.
2. При реновации режущей кромки по разработанной технологии для восстановления геометрии изделия следует применять покрытые сварочные электроды типа Э50А, наплавку производить постоянным током обратной полярности;
3. Для упрочняющего слоя применять наплавочные электроды Т-590, Т-620 или ТЭТ-590, наплавку производить постоянным током прямой полярности. Толщина упрочняющего слоя 3-5 мм, не более 2 слоев наплавки;
4. Для исключения коробления, нож закрепляется в спецприспособлении и наплавляется участками, переворачивая, поочерёдно с одной и другой стороны. Толщина наплавочного слоя - 3-5 мм, а ширина полосы - 60 мм.
5. Обеспечить постепенное охлаждение наплавленного изделия, путем укрытия теплоизоляционными материалами или с помощью обдува газопламенной горелкой с постепенным понижением температуры нагрева после проведения сварки и наплавки.
На основе приведенных данных разработана операционная технологическая карта реновации (восстановления) рабочего органа тяжелой дорожной техники, которая соответствует всем существующим требованиям нормативно-технической документации РФ.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИФТПС СО РАН, шифр проекта FRWS-2024-0034, номер государственной регистрации 1023031300029-4-2.3.1.
Литература
1. Слепцов О.И., Шульгинов Б.С., Михайлов В.Е., Сивцев М.Н., Слепцов Г.Н. Повышение прочности сварных металлоконструкций горнодобывающей и транспортной техники в условиях Севера. Новосибирск: Наука, 2012. 183 с.
2. Транспорт в Якутии. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Транспорт_в_Якутии
3. Казенное предприятие Республики Саха (Якутия) «Дороги Арктики». URL: Ы^://дорогиарктики.рф/аЬоШ;
4. Лукашук, О.А. Машины для разработки грунтов. Проектирование и расчет: учебное пособие. Екатеринбург: Урал. ун-т, 2018. 128 с.
5. Эксплуатация и выбор ножей (режущих кромок) отвала. Советы экспертов. https://exkavator.ru/main/news/inf_news/143062_ekspluatatsiya_i_vibor_nogey_regushchih_kromok_o tval a_soveti_ekspertov.html
6. Макаров Э.Л., Якушин Б.Ф. Теория свариваемости сталей и сплавов. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. 549 с.
7. Повышение прочности сварных соединений конструкций для Севера / Слепцов О.И., Михайлов В.Е., Петушков В.Г. и др. Новосибирск: Наука, 1989. 202 с.
8. Слепцов О. И., Слепцов Г.Н. Разработка математической модели расчета тепловых процессов при сварке с подогревом стальных листов // В книге: Актуальные вопросы теплофизики, энергетики и гидрогазодинамики в условиях Арктики. Тезисы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, посвященной 85-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки РФ и ЯАССР, д. т. н., профессора Э. А. Бондарева. Киров, 2021. С. 284-285
DOI: 10.24412/cl -37269-2024-1-125-127
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ КВАЗИКЛАССИЧЕСКИЙ МЕТОД ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕНИЙ РАЗРЫВА ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ОБРАЗЦОВ
Степанов В.Е.1, Степанова К.В.1, Ноев ИИ.1, 2
1 ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН», Институт физико-технических проблем Севера СО РАН, г. Якутск
2 ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова»,
г. Якутск
Показано, что замена одного цилиндра на две равновеликих по объему цилиндра приводит к увеличению силы сопротивления образования шейки в 1,4раза. Разработан первый этап геометрических методов оценки напряжений поперечных сечений цилиндрических образцов. Использован принцип отвердевания Тимошенко к числовым оценкам прочности цилиндров. Этот принцип позволяет использовать для анализа процесса разрыва цилиндра два воображаемых сечения образца, которые сопротивляются его растяжению.
Испытания образцов на разрывных машинах дают реальную картину разрушения материалов в динамике образования шейки и последующего разрыва. Целью работы является разработка геометрических методов оценки напряжений поперечных сечений цилиндрических образцов. Использован сформулированный Тимошенко Степаном Прокофьевичем принцип отвердевания: «Равновесное состояние деформированного упругого тела эквивалентно состоянию абсолютно твердого тела» [1]. Этот принцип позволяет вычислять результирующие моменты сил по различным сечениям твердого тела, которые обеспечивают состояние равновесия тела в результате действия сил реакции и приложенных внешних сил. Металлы, как и любые твердые тела, образованы из атомов, молекул и кристаллов в условиях равновесия двух сил: сил электрического притяжения соседних атомов и молекул и сил отталкивания, обусловленных их квантовыми волновыми свойствами. При этом силы притяжения соседних молекул имеют отрицательные численные значения энергий электрического взаимодействия, но при достаточном приближении молекул друг к другу вступают в игру большие силы квантового отталкивания. В результате каждая молекула оказывается на дне потенциальной ямы, и все такие молекулы образуют кристаллы и твердые тела [2]. Такие не совсем правильные с точки
