Рис. 2.1 Схема моделирующая характер действующих при резании грунта сил

Соответствующие сопротивления Р₁, Р₂, Р₃ и Р₄ определяются выражениями:

(2.2.)

(2.3.)

При моделировании инструмента линейные размеры l_x, l_y, l_z, изменяются пропорционально масштабу. Размер l_x1, характеризующий

площадку затупления, практически остается без изменения, так как определяется технологией изготовления лезвия, которая тождественна оригиналу. Величина l_z1 тоже не изменяется, так как определяется размерами тела, находящегося в среде, а параметры среды по условию задачи остаются без изменения,

Сопротивление движению можно представить в виде следующей суммы:

(2.4)

Отношение между силовыми параметрами оригинала и модели представляют в виде

(2.5)

где k_P - масштабный коэффициент перехода от модели к оригиналу.

Величину k_p определяют, как было рассмотрено ранее, через масштабный коэффициент линейных размеров системы при соответственном изменении физико-механических параметров среды, таких, как и др. Последнее возможно на базе применения эквивалентных материалов.

Искомое расчетное значение коэффициента k_p может быть получено на основании анализа математических моделей с различной степенью приближения описывающих механизмов изучаемого явления.

Для упрощения принимаем = 0, что для рассматриваемой зависимости соответствует .

Приведенное уравнение позволяет записать соотношение P_H/P_M в следующем виде:

(2.6.)

Выражаем параметры оригинала через параметры модели и соответствующие масштабные коэффициенты:

(2.7.)

По условию задачи величина площадки затупления модели равна оригиналу kl_Xi = 1 (рис.2.1).

После преобразования выражение может быть приведено к виду:

(2.8.)

где Р_м - величина, устанавливаемая при моделировании; k_l - масштабный коэффициент линейных размеров модели.

Значение k_l можно определить также по информации о величинах объемов среды, перемещаемых оригиналом q_H и моделью q_м:

(2.8.)

Величина k₁ определяется на основании количественного и качественного анализа физических и механических свойств среды модели и оригинала.

Для рассматриваемого случая значение k_i рассчитывается по формуле:

(2.9.)

Важно подчеркнуть, что полученное соотношение базируется на соблюдении основного положения теории подобия о качественной тождественности уравнений модели и оригинала. Нарушение условий количественного соответствия вследствие несоблюдения критериев подобия компенсируется введением поправки через соответствующие масштабные коэффициенты.

В зависимости от характера действующих сил и степеней их доминирования появляются варианты упрощенных расчетных зависимостей.

Отсутствие сил вязкого сопротивления, когда ,

приводит к следующей зависимости:

(2.10.)

Если среда не моделируется, то .

Можно указать на один из факторов, накладывающих ограничение на величину линейных размеров инструмента при моделировании с использованием эквивалентных материалов. В последнем случае в соответствии с критерием величина , откуда . При и , когда среду не изменяют, имеем:

(2.11.)

Анализ показывает, что ошибка при моделировании изменяется с уменьшением линейных размеров модели за счет третьего члена, характеризующего затупление, так как масштаб площадки затупления . Для абсолютно острого лезвия или при зависимость принимает вид

. (2.12.)

Анализ полученных зависимостей показывает, что ограничение на уменьшение линейного размера инструмента следует прежде всего из нарушения геометрического подобия системы в части несоблюдения масштаба площадки затупления по высоте площадки .(2.13.)

При . (2.14.)

Отличительной особенностью метода, используемого в зарубежной практике, по сравнению с рассмотренным является структура формул перехода от силовых параметров, зафиксированных на модели, к параметрам оригинала.

Формулы перехода формируются с учетом различия характера действующих на систему со стороны грунта сил сопротивления. Силы отделения грунта от массива и сцепления грунта со стальной поверхностью ковша (силы адгезии) пропорциональны квадрату обобщенного линейного размера системы. Эта система сил именуется двухмерной системой. Силы сопротивления перемещению призмы волочения перед инструментом (ковшом) и силы веса стружки грунта и грунта в ковше представляют силы, пропорциональные кубу линейного размера. Эту систему сил называют трехмерной системой.

Переход от модели к оригиналу осуществляют на базе рассмотренного принципа и анализа схемы сил, действующих на моделируемую и моделирующую системы.

Масштабный коэффициент линейных размеров системы обозначают

так:

. (2.15.)

Силы сопротивления для двухмерной системы рассчитывают для модели следующим образом:

(2.16.)

где b_M - ширина модели; k_M - длина поверхности скола как функция глубины копания; с_км - сцепление грунта с грунтом в канале (удельное сопротивление когезии); D_M - эквивалентная глубина боковых элементов ковша, трущихся о грунт и подвергающихся адгезии; L_M - эквивалентная длина боковой стенки ковша, подвергающегося адгезии; с_ам - сцепление грунта со сталью в канале (удельные сопротивления адгезии).

В соответствии с пропорциональностью этой системы величине для оригинала величину умножают на квадрат k_l.

(2.17.)

2.2Теоретические основы расчёта силовых параметров работы ходового оборудования

Силу сопротивления трехмерной системы определяют как разность между суммарной силой сопротивления копанию, зафиксированной при испытании модели , и силой двухмерной системы:

(2.18.)

Возможная разница между плотностью и углами трения грунта в канале и моделируемого грунта требует введения в полученное выражение поправочных коэффициентов в виде масштабов соответствующих величин:

,…(2.19.)

где г_H, г_M, плотность грунта оригинала и модели; с_H, с_M - угол внутреннего трения грунта оригинала и модели.

Результирующая сила сопротивления копанию

…(2.20.)

или

. …(2.21.)

Силы сопротивления качению для скрепера определяются по формуле:

…(2.22.)

где G_C._H - чистый вес агрегата (скрепера) в натуре; G_rp._M - вес грунта в ковше модели; f_H- коэффициент сопротивления перекатыванию в оригинале.

Общее сопротивление при копании для оригинала определяется по измерениям, сделанным при моделировании па основании следующей формулы:

…(2.23.)

Рекомендуемая зависимость дает достаточно точные результаты при, т.е. с уменьшением не более чем в шесть раз по отношению к оригиналу. Трудность представляет получение достоверных значений с_км и с_ам, нет четких рекомендаций по определению величин . Для аналогичного варианта рассмотренные выше положения дают более простую зависимость.

Для результирующей силы сопротивления копанию при

…(2.24.)

Общая сила сопротивления копанию с учетом сопротивления качанию

…(2.25.)

Величина l_M является обобщенным линейным размером и определяется по предполагаемой емкости ковша оригинала:

…(2.26.)

Предлагаемая формула при линейном масштабе дает погрешность, не превышающую 15 - 25%. Зависимость (P_H)W_H Дает относительно большую погрешность, что является следствием учета в формулах перехода только двух видов сил: пропорциональных кубу и квадрату линейного размера инструмента. Силы, пропорциональные линейному размеру и не зависящие от линейного размера, в формулах перехода от модели к оригиналу не приняты во внимание. Стремление ограничить ошибку привело к ограничению применения такого типа формул до линейных масштабов не менее (1/5) ч (1/6).

Формула с учетом рассмотренного вида сил дает возможность уменьшить погрешность и рекомендовать ее применение для линейных масштабов (V₁₀)-(V₁₅).

Выбор теоретической модели для определения коэффициента перехода от модели к оригиналу при нарушении критериев подобия является важным этапом моделирования без изменения свойств среды и связан с реализацией второго следствия, вытекающего из основных теорем подобия и дополнительных положений. Рассмотренный метод моделирования и прием перехода от параметров модели к оригиналу является приближенным, что вытекает из основных положений теории подобия. Надежность прогнозирования на реальные условия протекания процесса повышается при соблюдении следующих основных положений: 1) теоретическая гипотеза, составляющая основу математического описания процесса, на базе которой рассчитывается компенсационный коэффициент, качественно должна как можно полнее соответствовать механизму изучаемого процесса. Это следует из первой теоремы подобия. Подобные процессы должны описываться одинаковой системой уравнений; 2) параметры, определяющие в теоретической модели напряженно-деформативные свойства среды, должны быть независимыми от линейных размеров системы.

Если последнее положение нарушается, то определение коэффициентов компенсации через посредство таких простейших моделей дает приемлемую относительную погрешность не более 15-20% в ограниченном диапазоне изменения линейного масштаба моделирования. Предельное значение масштабного коэффициента при оптимальной гипотезе и моделировании процессов взаимодействия со средой не должно превышать k_l =5ч12 в зависимости от физико-механических свойств среды и методов воздействия на последнюю.

Под фоном эксплуатации бульдозеров одноковшовых экскаваторов понимается совокупность природно-климатических факторов, грунтовых условий, системы организаций проведения работ, уровня технического обслуживания и ремонта машин. Первые две составляющие относятся к неуправляемым элементам фона эксплуатации и при прочих равных условиях определяют долговечность, надежность и работоспособность одноковшовых экскаваторов. Поэтому при проведении исследований, направленных на повышение долговечности этих машин, необходим тщательный анализ естественных условий их эксплуатации, учет степени влияния природно-климатических и грунтовых факторов на процесс изнашивания основных механизмов экскаваторов.

Данные исследования проводятся для бульдозеров и одноковшовых карьерных экскаваторов, эксплуатирующихся в регионе Центральной Азии, где природно-климатические условия отличаются высокой контрастностью. Основные типы природных ландшафтов здесь образуют горные системы, степные равнины с оазисами и пустынные зоны.

2.3 Определение мощности и выбор двигателей ходовых механизмов буровых станков

Режим работы и характер нагрузок гусеничного ходового оборудования буровых станков аналогичен характеру и режимам работы гусеничного ходового оборудования одноковшовых экскаваторов малой и средней мощности. Особенность гусеничного хода всех типоразмеров СБШ наличие индивидуального привода для каждой гусеницы.

При передвижении по горизонтальной поверхности и при подъемах тяговые усилия определяют соответственно по формулам определения силовых параметров. Максимальный угол подъема для буровых станков с гусеничным ходом ограничивается также 12°. По (2.37) и (2.38) вычисляют мощность двигателей гусеничных ходовых механизмов, соответствующую длительному и кратковременному режимам. Вес бурового станка приближенно может быть определен по эмпирической формуле

…(2.27.)

где - опытный коэффициент зависимости веса буровых станков от усилия подачи и диаметра долота или коронки; N_под - усилие подачи бурового инструмента, Н; - диаметр долота или коронки.

Коэффициент для станков типа СБШ при усилиях подачи (20ч30) 10⁴ Н принимают равным 0,142-0,145, а при усилиях подачи (35ч60)10⁴ Н соответственно 0,148-0,150. Для станков типа СБР = 0,16.

После выбора или составления кинематической схемы ходового механизма и вычисления по (5.8) частоты вращения двигателя выбирают двигатель с близкими к расчетным мощностью в длительном режиме и частотой вращения. Коэффициенты механической перегрузки и допусти мое время перегрузки двигателя определяют по формулам (2.27), и (2.28).

Часто для привода гусеничного хода применяют двигатели в крановом исполнении для работы в повторно-кратковременном режиме с коэффициентами продолжительности включения ПВ = 25 % или ПВ = 40 %. В этом случае для перерасчета мощности двигателя, соответствующей повторно-кратковременному режиму, на допустимую мощность длительного режима работы двигателя можно воспользоваться приближенной формулой

…(2.28.)

Выводы по главе II

В результате исследований в области моделирования, позволило сделать следующие выводы:

1. Описать напряженно-деформативное состояние сплошной среды при внешнем воздействии с учетом начальных и граничных условий процесса.

2.Силы отделения грунта от массива и сцепления грунта со стальной поверхностью рабочего органа (силы адгезии) является двухмерной системой и пропорциональны квадрату обобщенного линейного размера системы. Силы сопротивления перемещению призмы волочения перед инструментом (ковшом) и силы веса стружки грунта и грунта в ковше представляют силы трехмерной системы и пропорционально кубу линейного размера.

3. Определить основные положения моделирования при испытании моделей в среде оригинала в условиях проявления всех действующих факторов.

4.Для привода гусеничного хода применяют двигатели в крановом исполнении для работы в повторно-кратковременном режиме с коэффициентами продолжительности включения ПВ = 25 % или ПВ = 40 %.,которые в случае перерасчета мощности двигателя, соответствующей повторно-кратковременному режиму, на допустимую мощность длительного режима работы двигателя можно воспользоваться эмперической формулой



3. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ И МЕТОДИКА ОЦЕНКИ НАДЁЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ДВИГАТЕЛЕЙ И ДВИЖИТЕЛЕЙ ХОДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ГОРНЫХ МАШИН.

3.1 Разработка технических решений по модернизацию конструктивных элементов ходового оборудования и расчет привода хода горных машин

Ход гусеничный предназначен для передвижения и маневрирования станка. Он состоит из тележек гусеничных 1,2, соединенных осями 3. Каждая тележка имеет индивидуальный привод, состоящий из электродвигателя 4, редуктора 6 или 7 и тормоза 5. Натяжение ленты гусеничной 8 необходимо производить перемещением колеса натяжного 9. Для этого следует снять крышки 10, соединить поршневую полость гидроцилиндра натяжения 11 через проходник `А' с тройником линии нагнетания поршневой полости гидроцилиндра стопора. Тройник расположен на крыше машинного отделения. Штоковую полость гидроцилиндра натяжения 11 соединить со сливом маслостанции через проходник `Б'. Подачей давления в поршневую полость гидроцилиндра натяжения 11 следует переместить колесо натяжное 9 до требуемого натяжения ленты гусеничной 8, установить максимально возможное и одинаковое количество упоров 12, сбросить давление, отсоединить рукава, установить крышки 10.

Провисание ленты при вывешенном на домкратах станке - от 375 до 465 мм от рамы хода и между поддерживающими роликами - от 30 до 50 мм.

Тяговое усилие при передвижении станка по горизонтальной поверхности составит:

Н

Н

Тяговое усилие при передвижении на подъём при максимальном угле подъёма 12⁰ определится как:

Н

Н

Рис. 3.1-Ход гусеничный бурового станка СБШ-250 МНО.

1,2 - тележка гусеничная; 3 - ось; 4 - электродвигатель; 5,6 - редуктор; 7 - тормоз; 8 - лента гусеничная; 9 - колесо натяжное; 10 - крышки; 11 - гидроцилиндр натяжения; 12 - упоры.

Мощность двигателей при работе в длительном режиме составит:

При двух гусеницах мощность двигателя привода каждой гусеницы будет

Мощность двигателей при работе в кратковременном режиме составит:

Мощность одного двигателя определится как:

Выбираем компоновочную схему ходового механизма, приведенную на рис.2.25 с i_ред = 210. Тогда частота вращения двигателя

n_дв =i_ред•n_в.к ,

n_дв =210•3,14 = 660

При этом частота вращения и диаметр ведущего колеса гусеницы будет

Выбираем для привода каждой гусеницы двигатель типа МТКМ - 412 - 8 с Р_ном = 22 кВт, ПВ = 40%, п_ном = 705.

Мощность принятого двигателя в длительном режиме определится как:

Коэффициент механической перегрузки составит:

Допустимое время перегрузки двигателя будет

Из сравнения расчетных мощностей с мощностями выбранного двигателя в длительном и кратковременном режиме можно видеть, что двигатель МТКМ - 412 - 8 отвечает всем требованиям при условии его работы в режиме перегрузки не более 40 мин.

Недостатком базовой конструкции бурового станка (см. рис. 3.1.) является статически неопределимая схема гусеничного ходового оборудования. Для устранения этого недостатка нами предлагается выполнить гусеничное ходовое оборудование по статически определимой схеме присоединения гусеничных тележек к раме станка (см. рис. 3.2.). Для этого вместо поперечной оси скрепляющей между собой гусеничные рамы со стороны приводов хода установить балансир зафиксированный проушиной на раме станка осью. При этом цапфы - 2 (см. рис. 3.3.) балансира по средствам оси - 3 шарнирно установлены в рамах гусеничных ходовых тележек - 1.

Рис. 3.2. Конструкция статически определимого гусеничного ходового оборудования карьерного бурового станка.

1 - балансир; 2 - ось; 3 - проушины крепления оси; 4 - проушина крепления балансира; 5 - гусеничные ленты; 6 - место крепления привода хода.

Рис. 3.3. Шарнир крепления цапф балансира в рамах гусеничных ходовых тележек.

1 - рама ходовой тележки; 2 - цапфа балансира; 3 - ось; 4 - винт крепления

Такое конструктивное исполнение двух гусеничного ходового оборудования позволит при движении бурового станка по подошве уступа с большой гипсометрией существенно снизить динамические нагрузки на мачту станка, как в её вертикальном, так и в транспортном положении.

Назначение и условия работы оси балансира гусеничной тележки

Ось балансира гусеничной тележки (рис. 3.1) служит для восприятия изгибных реакций при передвижении бурового станка. Ось неподвижна и работает на изгиб.

Ось, рассмотренная в нашем технологическом процессе, изготавливается из конструкционной легированной стали 40ХН./17/

В качестве термообработки для оси из стали 40ХН применяем улучшение до твердости HB230-285. Для повышения износостойкости поверхности подвергаем ось закалке ТВЧ до твердости HRC_Э 56-62 с последующим низким отпуском./ /

Технологический маршрут механической и термической обработки оси балансира гусеничной тележки

Технологическими базами при обработке оси балансира гусеничной тележки должны быть поверхности, зависящие в первую очередь от конструктивных форм, требований к точности по техническим условиям и масштаба выпуска.

Так как ось базируют по осевой линии, то технологический процесс строим исходя из этого. Поэтому всю токарную обработку производят на токарных станка, устанавливая заготовку в центрах.

3.2 Методика оценки исследований изнашивания элементов движителей

После того как мы дали полный обзор [ ] ходового устройства, переходим непосредственно к изнашиванию отдельных звеньев бульдозеров.

В данном случае изнашивание отдельных звеньев характерно, для бульдозера.

Конкретно, для исследования возьмём за основу.

В процессе работы, наиболее изнашиваемые детали являются:

1. опорные и натяжные колёса гусеничного хода.

2. ведущие колёса.

3. звенья гусениц.

4. втулки подшипников скольжения.

Изнашивание и износостойкость опорных и натяжных колёс гусеничного хода.

Главными видами изнашивания опорных колёс являются абразивное изнашивание и изнашивание вследствие объёмного пластического деформирование металла рабочих поверхностей по кругу катания. После износа закалённого слоя в работу вступают слои металла, имеющие малую твёрдость (НВ 207-269).

Изнашивание боковых поверхностей обода колёс происходит после пластического деформирования поверхностных слоёв металла по кругу катания и образования наката на ободе колеса. Расширенный вследствие этого обод колеса заходит между гребнями звеньев гусениц без необходимого зазора, имея с ними плотный контакт, что и вызывает изнашивание этих элементов по контактирующим поверхностям. Кроме того, плотный контакт между торцами колес и гребнями звеньев происходит при боковых сдвигах ходовой тележки во время работы экскаватора, а также из-за боковых зазоров в проушинах звеньев.

Темп изнашивания А опорных и натяжных колес гусеничного хода бульдозеров

Таблица 3.1

Колесо	Значение А в мм/млн*м3
	Наибольшее	Наименьшее	среднее
Натяжные	12,8	4,15	6,2
Опорные	12,4	3,2	6,29

Изнашивание и износостойкость ведущих колес гусеничного хода.

Ведущие колеса карьерных экскаваторов изготавливаются из стали 35ХНЛ и имеют твердость рабочих поверхностей кулачков НВ 354-401. Колёса работают в контакте с гусеничными звеньями, изготовленными из стали Г13Л. На бульдозерах фирм, исследовалось также изнашивание ведущих колёс изготовленных из стали с повышенным содержанием марганца, и показывает в эксплуатации весьма большую износостойкость (15-18 лет службы).

В процессе эксплуатации являются наличие предельного износа кулачков, изнашиваются также шлицы и опорные поверхности по кругу катания. Главными видами изнашивания кулачков является абразивное изнашивание, изнашивание вследствие пластического деформирование поверхностного слоя и изнашивание вследствии заедания.

Шлицевые участки ведущих колёс выходят из строя главным образом вследствие хрупкого разрушения рабочих поверхностей шлицов.

Абразивное изнашивание кулачков, как изнашивание вследствие пластического деформирования поверхностного слоя носит ярко выраженный характер. Преимущественно одностороннее направление нагрузок определило и одностороннее изнашивание кулачков. Пластические деформации рабочих поверхностей кулачков затрагивают как непосредственные слои металла, так и нижележащие слои, при этом из рабочих зон кулачков вытесняются довольно значительные объёмы металла.

Твёрдость деформированного металла твердость рабочих поверхностей кулачков ведущих колёс, бывших в работе (после износа поверхностного закаленного слоя), находится в пределах НВ 207-241.

Исследование стали Г13Л гусениц звеньев, бывших в работе, показали, что твёрдость металла резко возрастает по мере приближения к рабочим поверхностям, достигая максимального своего значения HRC 40-54 непосредственно на рабочей поверхности. Таким образом, только до момента износа поверхностного закалённого слоя на кулачках колеса существует равенство твёрдости контактирующей поверхности. После быстрого сравнительного износа в работу со звеньями гусениц, имеющими твёрдость HRC 40-50, выступают кулачки колеса с весьма низкой твёрдостью металла (НВ 229-241), и темп изнашивания колёс резко возрастает.

Изнашивание и износостойкость звеньев гусениц.

Исследовались изнашивание и износостойкость звеньев гусениц, изготовленных из марганцовистых аустенитных сталей отечественного и зарубежного производства.

Химический анализ стали звеньев отечественного производства показал довольно точное соответствия содержания в них основных - элементов (Mn, Si, C) требованиям Госта 2176-57 на сталь Г13Л. Содержание марганца находится у верхнего предела, как показали исследования, это существенно снижает износостойкость и надёжность работы звеньев.

Звенья гусениц некоторых зарубежных экскаваторов изготовлены из марганцовистой аустенитной стали и работают в контакте с деталями из той же стали.

Скользящий контакт при работе гусеничных звеньев бульдозеров характеризуются высокими удельными давлениями (до 5000 кг/см²), малыми скоростями относительного скольжения (до 0,15 м/с), а также наличием большого количества абразивных частиц в зоне контакта.

Основными видами изнашивания звенья гусениц экскаваторов являются абразивные изнашивания и изнашивания вследствие пластического деформирования поверхностного слоя, сопутствующий вид изнашивания вследствие заедания. Абразивное изнашивание звеньев гусениц из стали Г14Д можно охарактеризовать как нормальное, не вызывающее грубых рисков и задиров, на контактирующих поверхностях.

Наиболее изнашиваемые элементы звеньев являются гребни, опорные дорожки и проушины.

Изнашивание рабочей поверхности гребней гусениц неравномерно. Наибольшее изнашивание наблюдается в верхней части гребня, а наименьшее - в нижней.

Исследования показали отсутствие какой - либо зависимости темпа изнашивания гребней от их положения в звене (внутренний или наружный гребень), а также от положения звена на ходовой тележке экскаватора (правая или левая гусеничная лента).

Из данных видно, что темп изнашивания гребней поверху значительно выше темпа их изнашивания по середине. Большая интенсивность изнашивания верхних участков гребней, отмечаемая на звеньях отдельных экскаваторов объясняется воздействием на верхнем участке наибольших удельных давлений в начале зацепления гребня с изношенными кулачками колеса.

Изнашивание и износостойкость втулок подшипников скольжения.

У большей группы карьерных бульдозеров (D10N, D9N, D10R и др.) втулки подшипников скольжения изготавливаются из конструкционно-легированной стали 20ХГТ.

Главным видом изнашивания втулок гусеничного хода бульдозера является абразивное изнашивание. Здесь так же, как и у осей и валов, абразивное изнашивание проявляется в своих наиболее грубых и активных формах, что объясняется воздействием на рабочие поверхности втулок крупных абразивных частей попадающих в подшипники скольжения. Укрытие этих подшипников, как показали исследования, крайне неудовлетворительны и носят, в ряде случаев, символический характер.

На темп изнашивания втулок, как и ряд других деталей (валов, зубчатых колёс), решающее влияние оказывает степень насыщенности смазок твёрдыми абразивными частицами. У втулок опорных колёс, где укрытие узлов трения наихудшее и в смазке обнаруживается до 68% механических примесей, темп изнашивания наибольший (Ах=1,57 мм/млнм³); у втулок гусеничной рамы, к рабочим поверхностям которых доступ абразивных частиц затруднён, тем изнашивание меньше (Ах=0,8-1 мм/млнм³).

3.3Испитание элементов движителей ходового оборудования на изнашиваемость до и после упрочнения

Лабораторные испытания [ ] проводятся с целью определения сравнительной износостойкости материала звеньев, втулок и пальцев гусеничных лент горных машин и материала лабораторных образцов, изготовленных из конструкционных сталей (ГОСТ 4543-81) и упрочненных наплавкой выбранными износостойкими материалами. Испытания выполнялись на машине трения СМЦ - 2 (рис.3.2.) по схеме “диск по диску”.

Рис. 3.4 Общий вид машины трения СМЦ - 2

Испытания состояли из трех серий опытов [ ]. В первой серии опытов испытывались образцы, изготовленные из материала исходных деталей, во второй серии - образцы из стали 35Г, упрочненные электродами ОЗН - 400У, ВСН - 6 и порошковой проволокой ПП - АН125 [ ], а в третьей серии - образцы, упрочненные наплавочным материалом, показавшим наибольшую износостойкость в заданных условиях испытаний и образцы, изготовленные из материала пальцев и втулок. Образцы, изготовленные из материала исследуемых деталей, упрочнялись по технологии фирмы-изготовителя бульдозеров D10N, они были приняты в качестве эталонных, а их износостойкость принималась равной единице.

Во всех трех сериях опытов испытывались пары образцов, составленные из дисков диаметром 50 мм и толщиной 8 и 12 мм. Дискам толщиной 8 мм было присвоено условное обозначение “А”, а дискам толщиной 12 мм - обозначение “В”. Диски “А” устанавливались на верхний вал машины трения, а диски “В” - на нижний.

В первой серии опытов количество пар соответствовало числу имеющихся в гусеничных движителях бульдозеров D10N открытых пар трения: палец - втулка, втулка - сегмент и звено - опорный каток.

Основные характеристики эталонных дисков приведены в табл. 3.2.

При изготовлении эталонных дисков пары “палец - втулка” применялись следующие виды упрочняющей обработки. Наружная поверхность дисков “А” закаливалась токами высокой частоты (ТВЧ) на глубину 2,0…2,5 мм. Закалка велась на универсальном закалочном станке с питающим генератором ПВВ - 100 - 8000 в цилиндрическом индукторе - спрейере. Диски при закалке вращались со скоростью 30 мин^-1. В качестве охлаждающей жидкости использовалась вода. Зазор между закаливаемой поверхностью и индуктором составлял 2,0…2,5 мм [ ].

Наружные поверхности дисков “B” подвергалась цементации на глубину 2,2…2,4 мм. Цементация проводилась в газовом карбюризаторе при температуре 950…9700С в течение 3,5 ч.

После цементации рабочих поверхностей диски “B” проходили термообработку, которая заключалась в объемной закалке от температуры 850⁰С и последующем отпуске от температуры 200⁰С.

Диски пары “сегмент - втулка” также подвергались упрочняющей термообработке: диск “А“ - объемной закалке от температуры 840⁰С с охлаждением в воде и отпуску с температуры 550⁰С, а диск “B” - обработке, аналогичной обработке диска “В” в паре “палец - втулка”[ ].

Диски “А” в паре “звено - каток” термообработку не проходили, а диски “B” получили объемную закалку от температуры 850⁰С и отпуск с температуры 550⁰С. Общая характеристика эталонных пар образцов

Таблица 3.2

№ п.п.	Наименование эталонной пары	Наименова-ние детали пары	Обозн. диска	Условное обозначение материала диска	Вид упрочнения диска	Твердость рабочей поверхн., HRC
1	Палец - втулка	Палец	А	40Г	Закалка ТВЧ	53…55
		Втулка	В	20ХГ	Цементация, объемная закалка, отпуск	54…58
2	Сегмент-втулка	Сегмент	А	35Г	Объемная закалка	43…45
		Втулка	В	20ХГ	Цементация, объемная закалка, отпуск	54…58
3	Звено - каток	Звено	А	35Г	-----	33…36
		Каток	В	35Г	Объемная закалка	42…45

Технология изготовления наплавленных пар для второй серии опытов состояла из следующих операций.[ ]. Сначала, из стали 35Г вытачивались диски “А” и “В” с уменьшенным наружным диаметром, равным 57_-0,3 мм. Затем рабочие поверхности дисков наплавлялись выбранными износостойкими наплавочными материалами (электродами ОЗН - 400У,ВСН - 6 и порошковой проволокой ПП - АН125). Толщина наплавленного слоя составляла 2…3 мм. После его зачистки, наружный диаметр дисков на кругло шлифовальном станке был доведен величины 50_-0,1 мм. Операция выполнялась при обильном охлаждении обрабатываемых поверхностей и умеренных режимах резания.

После изготовления дисков был произведен их визуальный осмотр. Пригодными к проведению лабораторных испытаний считались диски без каких-либо дефектов (трещин, не наплавленных участков, выкрашиваний наплавленного металла и т.п.) на их рабочих поверхностях. Термическая обработка дисков и наплавленных слоев не производилась.

На вспомогательных образцах из стали 35Г была выполнена контрольная наплавка всеми использованными наплавочными материалами. С наплавленных слоев были взяты пробы для определения химического состава наплавленного металла. Результаты проведенного химического анализа приведены в табл. 3.3.

Химический состав наплавленного металла



Таблица 3.3

№ п.	Марка наплавочного материала	Содержание элементов, %
		C	Cr	Mn	Si	W	V	Ti	B
1 2 3	ОЗН - 400М ВСН - 6 ПП - АН125	0,15 1,20 2,0	- 14,0 15,0	4,8 0,7 1,0	0,13 0,4 1,5	- 13,0 -	- 1,50 -	- - 0,3	- - 0,7

Из подготовленных к испытаниям образцов были составлены пары дисков, рабочие поверхности которых наплавлялись одним и тем же видом наплавочного материала. Общая характеристика составленных пар приведена в табл.3.4.

Таблица 3.4

№ пары	Обозначение диска	Марка наплавочного материала	Твердость рабочей поверхности, HRC
1	А, В	ОЗН - 400У	42…45
2	А, В	ВСН - 6	52…55
3	А, В	ПП - АН125	52…56

Условия проведения испытаний. Для максимального [ ] приближения лабораторных условий изнашивания к реальным, во время проведения опытов в [ ] камере машины трения была создана среда, состоящая из воды и абразива, в качестве которого использовался [ ] кварцевый песок с размерами зерен 50…5000 мкм. Непрерывная подача абразива в зону трения обеспечивалась крыльчаткой, установленной на нижнем валу машины трения При вращении нижнего вала крыльчатка [ ] создавала вихревое движение воды и абразивных частиц в камере машины трения, благодаря чему происходило интенсивное охлаждение зоны контакта образцов и постоянное обновление абразивной массы, поступающей в зону трения.

Каждая пара образцов моделировала процесс изнашивания натурной пары при наличии абразивных частиц и влаги в зоне трения, что достаточно точно воспроизводило натурные условия работы исследуемых деталей [ ].

Режимы испытаний. Скорость вращения нижних образцов составляла 5 с^-1, а верхних - 4 с^-1, что при вращении образцов обеспечивало относительное скольжение (20%) их рабочих поверхностей.

Величина износа образцов определялась через каждые 25 тыс. оборотов нижнего вала машины трения путем измерения диаметров изнашивающихся рабочих поверхностей образцов и их сравнения с начальными значениями. В качестве измерительных средств использовались штангенциркуль ШЦ II - 0 - 160 - 0,05 (ГОСТ 166 - 80) и микрометр МК 25 - 50 (ГОСТ 6507 - 78).проведению испытаний.

С помощью механизма нагружения к верхнему валу прикладывалось радиальное усилие, под действием которого диск “A” во время испытаний прижимался к диску “B”. Величина радиального усилия поддерживалась в пределах 1400…1500 H. Повторность каждого опыта равнялась 3 [ ].

Результаты испытаний. После завершения всех опытов был выполнен визуальный осмотр испытанных образцов. Рабочие поверхности образцов находились в удовлетворительном состоянии, на них отсутствовали следы пластического деформирования металла (заусенцы, наплывы и т.п.), не было обнаружено также трещин, вырывов и отслоений основного и наплавленного металла. На изношенных поверхностях образцов имелось большое количество рисок, оставленных абразивными частицами. На наплавленных поверхностях глубина и длина рисок была минимальной, что обусловлено высокой твердостью и износостойкостью упрочненных наплавкой поверхностей.

а)

б)

Рис.3.5. Пара эталонных образцов после испытаний:

а - вид сбоку; б - вид сверху.

Не наплавленные поверхности содержали более глубокие и протяженные риски, направленные перпендикулярно образующим цилиндрических рабочих поверхностей [ ].

На основании результатов визуального осмотра испытанных образцов был сделан вывод о том, что все опыты проводились в условиях стабильно протекающего процесса изнашивания и полученные в них данные можно считать достоверными.

а)

б)

Рис.3.6. Пара наплавленных образцов после испытаний:

а - вид сбоку; б - вид сверху.

Полученные в первой серии опытов результаты приведены в табл. 3.5

Величина износа (мкм) дисков эталонных пар

Таблица 3.5

№ п.п.	Наименование эталонной пары	Обозн. Диска	Номер опыта	Число оборотов нижнего вала, тыс. об.
				25	50	75	100	125	150
1	Палец- втулка	А	1 2 3	260 233 198	346 373 386	520 473 520	600 645 647	773 775 813	940 896 927
		В	1 2 3	93 94 133	220 176 175	260 261 300	307 347 346	473 386 432	520 474 497
2	Сегмент-втулка	А	1 2 3	296 254 295	427 426 387	560 559 514	683 640 682	786 826 853	934 980 980
		В	1 2 3	87 86 133	132 133 174	260 214 259	300 384 298	384 385 294	934 514 467
3	Звено-каток	А	1 2 3	427 387 386	507 560 597	680 727 679	866 787 827	940 893 974	-- -- --
		В	1 2 3	213 253 254	336 346 347	426 386 385	467 560 442	600 554 640	727 687 640

По данным табл. 3.5 были построены зависимости величины износа дисков “А“ и “В“ от числа оборотов нижнего вала машины трения. При определении опорных точек искомых зависимостей использовался метод наименьших квадратов. Выполненные расчеты показали, что установленные опорные точки достаточно точно ложатся на прямые, расположенные под определенными углами к оси абсцисс. Полученные зависимости показаны на рис. 3.7

Рис.3.7 Зависимость изнашивания эталонной пары.

По приведенным на рис. 3.7 кривым износа видно [ ], что при 20…25 тыс. оборотов нижнего диска наступает стабилизация процесса изнашивания рабочих поверхностей дисков; при дальнейшем возрастании числа оборотов зависимость величины износа дисков от числа оборотов нижнего вала машины, т.е. от пути трения, становится линейной [ ].

На участках от 0 до 25 тыс. оборотов, величина износа U каждой пары дисков “A” и “B”, независимо от вида их материала, определяется некоторой нелинейной функцией числа оборотов нижнего вала машины трения [ ]. Проведенный анализ показал, что криволинейные отрезки зависимостей на рис. 3.7 соответствуют периодам приработки рабочих поверхностей дисков, когда происходит интенсивное изнашивание не плотно прилегающих поверхностей трения. Отсутствие контакта по всей ширине дисков в начальной стадии изнашивания объясняется погрешностями изготовления и монтажа дисков на валы машины трения. На рис. 3.7 участки приработки дисков показаны пунктирными линиями.

Прямолинейные участки кривых износа принимались в качестве основных, по которым выполнялось сравнение износостойкости испытанных материалов [ ]

Результаты второй серии опытов приведены в табл. 3.6

Величина износа (мкм) пар наплавленных дисков

Таблица 3.6

№ п.п.	Марка наплавочного материала	Обозн. Диска	Номер опыта	Число оборотов нижнего вала, тыс. об.
				25	50	75	100	125	150
1	ОЗН - 400У	А	1 2 3	150 193 173	213 194 193	257 234 213	255 234 296	278 320 300	320 360 300
		В	1 2 3	233 234 213	255 276 300	298 299 320	340 383 343	407 366 384	440 460 399
2	ПП - АН125	А	1 2 3	107 113 133	123 158 140	200 156 180	240 200 199	220 240 240	300 274 240
		В	1 2 3	156 157 178	173 193 232	260 216 280	340 280 313	367 317 350	380 398 340
3	ВСН - 6	А	1 2 3	107 113 153	166 140 156	206 180 157	200 199 240	220 267 233	273 300 240
		В	1 2 3	170 180 214	193 233 230	283 227 260	343 314 280	353 367 317	398 377 340

По данным табл. 3.6. на рис. 3.8.- 3.10.были построены кривые износа наплавленных пар. При построении кривых износа, также как и в предыдущем случае, использовался метод наименьших квадратов [ ]

Приведенные на рис. 3.8.- 3.10 зависимости имеют особенности, характерные для пар образцов, изготовленных из материала исходных деталей.

Рис.3.8. Зависимости изнашивания экспериментальной пары

№ 1 (наплавка электродами ОЗН - 400У) :

1 - диск “A”; 2 - диск “B”.

Рис.3.9 Зависимости изнашивания экспериментальной пары № 2 (наплавка порошковой проволокой ПП - АН125):

1 - диск “A”; 2 - диск “B”.

Рис.3.1.10 Зависимости изнашивания экспериментальной пары № 3 (наплавка электродами ВСН - 6):

1 - диск “A”; 2 - диск “B”.

Так, в интервале 0 -25 тыс. оборотов нижнего вала машины трения, у всех полученных кривых износа наблюдается участок приработки рабочих поверхностей дисков (пунктирные линии на рис. 3.7.). После стабилизации процесса изнашивания зависимости износа дисков приобретают вид прямых.

По рис. 3.8.- 3.10.было установлено, что в данных условиях испытаний наибольшую износостойкость имеют рабочие поверхности образцов, наплавленные порошковой проволокой ПП - АН125, затем в порядке убывания износостойкости следуют электроды ВСН -6 и ОЗН - 400У.

По рис.3.8.- 3.10. также видно, что наплавленные рабочие поверхности дисков “A” менее износостойки, чем те же поверхности дисков “B”. Это объясняется, по-видимому, тем, что толщина дисков “A” меньше толщины дисков “B” и к тому же они работают в более тяжелых условиях [ ].

В третьей серии опытов проверялась возможность работы натурной пары трения, в которой будет наплавлена рабочая поверхность одной из деталей. Для этого были составлены пары образцов № 4 и № 5 с дисками “A” - палец (пара №4) и втулка (пара № 5), изготовленными из материала

натурных деталей, и с дисками “B”, наплавленными порошковой проволокой ПП - АН125. Диски “A” в составленных парах прошли упрочняющую термообработку, установленную для дисков пары палец - втулка. Результаты третьей серии опытов сведены в табл.3.7.:

Величина износа (мкм) дисков пар № 4 и № 5

Таблица 3.7

№ п.п.	Обозн. Диска	Номер опыта	Число оборотов нижнего вала, тыс. об.
			25	50	75	100	125	150
4	А	1 2 3	316 306 293	315 326 325	349 336 358	357 370 369	380 390 395	400 400 410
	В	1 2 3	6 7 13	3 20 15	8 26 21	25 26 16	27 15 36	31 25 13
5	А	1 2 3	105 127 117	137 127 115	147 146 126	156 157 135	168 157 157	170 190 180
	В	1 2 3	25 37 25	47 36 37	36 56 47	67 47 56	67 66 46	67 77 57

После обработки данных табл. 3.7.. указанным выше методом, на рис. 3.11. были построены кривые износа экспериментальных пар № 4 и № 5.

Приведенные на рис. 3.11. кривые износа позволили установить следующее:

Рис. 3.11 Зависимости изнашивания комбинированных пар:

1 - диск “A”; 2 - диск “B”.

1) характер кривых износа комбинированных пар, составленных из эталонных дисков и дисков, наплавленных порошковой проволокой ПП - АН125, сохранился по сравнению с кривыми износа эталонных и наплавленных пар: каждая кривая износа на рис. 3.11. имеет криволинейный участок приработки и прямолинейный участок стабилизированного изнашивания;

2) сравнение данных рис.3.7. и рис.3.11.показывает, что скорость изнашивания наплавленных дисков “B” в парах № 4 и № 5 соответственно в 8,7 и 4,0 раза меньше скорости изнашивания диска “B” в экспериментальной паре № 2 ;

3) скорость изнашивания образца “палец” в эталонной паре № 1 в 1,6 раза выше скорости его изнашивания в комбинированной паре № 4);

4) скорость изнашивания образца “втулка” в эталонной паре № 1 в 5,7 раза больше скорости изнашивания этого образца в комбинированной паре № 5.

3.4 Анализ исследуемых пар трения «втулка - палец»

На подготовительном этапе из пальцев, втулок и звеньев гусеничной ленты бульдозера D10N изготовлялись образцы, которым были присвоены наименования по названию исходных деталей (например, образцу вырезанному из пальца - наименование “палец” и т.д.). Измерительные поверхности образцов совпадали с поперечными сечениями исходных деталей. По изготовленным образцам определялось распределение макротвердости металла по поперечным сечениям исследуемых деталей и строение микроструктуры поверхностных и глубинных слоев. В процессе изготовления образцов отбирались пробы для определения химического состава металла исходных деталей.

Данные исследований показывают, что по химическому составу материал пальцев, звеньев, зубчатых сегментов и опорных катков может быть отнесен к классу углеродистых конструкционных сталей общего назначения и в соответствии с ГОСТ 4543-81 материалу указанных деталей могут быть присвоены следующие обозначения: а) пальца - Сталь 40Г, б) звена - Сталь 35Г; в) зубчатого сегмента - Сталь 35Г; г) опорного катка - Сталь 35Г.

Материал втулки представляет собой легированную цементруемую конструкционную сталь с содержанием углерода равным 19%. По ГОСТ 4543 -71 материалу втулки соответствует Сталь 20ХГ.

В результате исследования микроструктуры металла на измерительных поверхностях образцов было установлено:

а) наружные поверхности пальцев подвергались поверхностной закалке токами высокой частоты (ТВЧ). На это указывает наличие мелкоигольчатой мартенситной структуры в поверхностных слоях образца “палец”. Толщина закаленного слоя составляет 4,5 мм, а его твердость - HRC 53…54. В глубинных слоях пальца твердость металла равна HRC 37…39 , а его микроструктура представляет собой тростит, что соответствует нетермообработанному состоянию металла;

б) микроструктура глубинных слоев втулки представляет собой крупноигольчатый мартенсит с остаточным аустенитом (до 55%), на внутренних и наружных рабочих поверхностях втулки имеется цементованный слой глубиной 1,5…2,0 мм. Твердость металла в глубинных слоях составляет HRC 40…43, твердость металла цементованных слоев равна HRC 55…60. Полученные данные позволяют заключить, что в процессе изготовления, втулки подвергаются двухстадийной упрочняющей термообработке: диффузионному насыщению ее поверхностных слоев углеродом (цементации) с последующей объемной закалкой всей детали;

в) микроструктура металла звеньев по всему поперечному сечению детали - сорбит, в поверхностных слоях детали наблюдается обезуглероженный слой глубиной 0,35 мм. Твердость металла звеньев составляет HRC 33…35. Результаты исследования материала звеньев показывают, что упрочняющей обработке данные детали не подвергаются;

г) по всем поперечным сечениям зубчатых сегментов и опорных катков микроструктура металла представляет собой мартенсит + остаточный аустенит (до 20…25%), твердость металла составляет HRC 40…45.

Выводы по главе

В результате проведенных исследований было установлено:

1.Конструкция горных машин главным образом, связана с улучшением компоновочной схемы и конструкции его ходовой части. Характерна в этом отношении схема ходовой части. Вал ведущих звездочек располагается выше натяжных колес, вследствие чего гусеничный обвод ходовой части получает форму треугольника. Верхняя ветвь гусеницы опирается на два поддерживающих катка. Угол в, образованный основанием и задней ветвью гусеницы, набегающей на ведущую звездочку изменяется от 30⁰ до 90⁰, а угол б обхвата ведущей звездочки гусеницы от 115⁰ до 130⁰.

2.Материал исследованных деталей гусеничных движителей бульдозеров D10N по ГОСТ 4543 - 81 соответствует следующим маркам стали: палец - Сталь 40Г, втулки - 20ХГ, звена - Сталь 35Г, зубчатого сегмента - Сталь 35Г, опорного катка - Сталь 35Г;

3.Исследованные детали в процессе изготовления подвергались упрочняющей термообработке: палец - поверхностной закалке токами высокой частоты (ТВЧ) на глубину 4,0…4,5 мм, втулка - цементации наружной и внутренней рабочих поверхностей на глубину 1,5…2,0 мм и объемной закалке, зубчатые сегменты и опорные катки объемной закалке;

4.Износные испытания лабораторных образцов на машине трения СМЦ - 2 показали, что независимо от марки материала образцов и способов их упрочнения, кривые износа на основных участках (режимы стабилизированного изнашивания) описываются линейными функциями вида:

U = c +kn,

где U - величина износа рабочей поверхности диска;

c - свободный член, величина которого зависит от свойств изнашивающейся рабочей поверхности, точности изготовления и монтажа дисков на валы машины трения;

k- коэффициент пропорциональности, зависящий от износостойкости материала дисков, усилия прижатия дисков, присутствия абразива в зоне трения, скорости скольжения образцов и т. д;

п - число оборотов нижнего вала машины трения;

5.Наибольшую износостойкость в данных условиях испытаний показали рабочие поверхности образцов, наплавленные порошковой проволокой ПП - АН125, причем скорость изнашивания рабочей поверхности образцов, наплавленных этим видом наплавочного материала в 2,4, 1,3, 2,5, 2,8 и 1,8 раза меньше скорости изнашивания рабочих поверхностей образцов, выполненных соответственно из материала пальцев, втулок, сегментов, звеньев и опорных катков;



4.РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ НАДЁЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ХОДОВОГО ОБОРКДОВАНИЯ И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

4.1Совершенствование ходовых оборудований буровых станков

Гусеничный ход бурового станка состоит из двух независимых тележек, соединенных осями с приводом на каждую тележку. Звенья, колеса и катки отлиты из высоколегированной стали с термической обработкой по специальной технологии. Натяжение гусениц осуществляется гидроцилиндром двустороннего действия. Наклонная поверхность рамы и установка поддерживающих роликов на консольной оси исключают их зашламовывание и налипание грунта при работе во влажных условиях. В подшипниковых узлах гусеничного хода применены закрытые подшипники, заполненные смазкой на весь срок службы.

Два частотных преобразователя Schneider Elektric обеспечивают управление асинхронн...