Влияние режимов поверхностного фрикционно-электрического модифицирования на структуру, механические и эксплуатационные свойства стали осей балансиров

Изменение конъюнктуры рынка побудило, на предприятиях производства и ремонта бронетанковой техники министерства обороны Российской Федерации, изготавливать серию новой техники па базе ликвидированных боевых машин и другой техники военного назначения. Несомненный интерес представляет техника, выпущенная для гражданского использования, например в качестве дорожных, строительных и подъемно-транспортных машин используемых в различных экстремальных климатических условиях, а также в местах с угрожающим уровнем воздействия различных пагубных факторов (например, при строительстве «саркофага» для радиоактивно загрязненных объектов и т. д.).

На рис. 1 представлено семейство машин с гусеничным движителем различного назначения, созданных на базе универсальных шасси, это такие машины как: аварийно-транспортная машина «Березина» (рис. 1а) — лесопожарная машина ЛПМ-1- вездеходный кран-экскаватор ВКЭ-1 (рис. 16) — гусеничный тягач «Зубр" — легкий гусеничный транспортер ГАЗ-34 039- легкий многоцелевой гусеничный плавающий транспортер МТЛБумалый тягач легкий МТЛБ (рис. 1.в) — многоцелевой гражданский тягач ХТЗ-ЮНКенсгоболотоходный транспортер-тягач ГАЗ-3402- универсальный гусеничный тягач ГМ-124К (рис. 1 г) — вездеход гусеничный ГАЗ-71 и ГПЛ-520 н многие другие.

Многоцелевые машины с гусеничным движителем и перечисленные выше в том числе, успешно используются в качестве шасси под монтаж различного технологического оборудования (крановых, экскаваторных установок, бурового, бульдозерного и другого оборудования), а также для транспортировки людей и грузов, буксировки прицепов, обслуживания транспортных и технологических магистралей, использования в геологоразведочных и поисковых партиях и т. д. в) г).

Рис. 1. Семейство машин с гусеничным движителем на базе универсальных шасси: а) аварийно-транспортная машина «Березина" — б) вездеходный кран-экскаватор ВКЭ-1: в) малый тягач легкий МТЛБг) универсальный гусеничный тягач ГМ-124К.

Данное семейство машин может эксплуатироваться в районах с тяжелыми климатическими условиями, например Крайнего Севера, по всем видам дорог и при бездорожье, в условиях повышенной запыленности, соприкосновения с различными агрессивными средами, с возможностью преодоления водных преград, они рассчитаны на эксплуатацию и безгаражное хранение, при температурах окружающей среды от +40 до -50 °С. Простота конструкции обеспечивает простоту в эксплуатации, низкую эксплуатационную стоимость и высокую ремонтопригодность машины.

Надежность и ресурс вышеперечисленных машин и их технологического оборудования в значительной степени зависят от работоспособности и срока службы узлов трения. Надежность узлов трения (трибосопряжений) определяется, главным образом, их износостойкостью, которая зависит от эксплуатационных свойств материалов, из которых они изготовлены и качества сопряженных поверхностей.

Проведенные ранее исследования показали, что наибольшей частотой отказов, в процессе эксплуатации машин данного типа, обладают двигатели, трансмиссия и ходовая часть, при этом долговечность серийных машин в значительной степени зависит от долговечности конструктивных элементов ходовой части, как наиболее часто выходящих из строя. Наибольшее количество дефектов (рис.2), ко времени выхода машин в капитальный ремонт, имеют наружная часть корпуса (подкрылки, наружная укладка), элементы подвески (износ втулок и осей балансиров, резиновых бандажей катков), двигатель и т. д. При отказе или нарушении технического состояния хотя бы одной подвески возникает перенагруженность оставшихся исправными подвесок. В этом случае ходовая часть может продолжать выполнение своих функций, однако в целом объект техники теряет определенную часть подвижности и запаса хода. При этом отдельные элементы ходовой части достигают износов, близких к предельным. Это приводит к нарушению теплового баланса и соответственно увеличению износа пар трения. С практической точки зрения при эксплуатации наиболее сильное влияние на износ элементов ходовой части оказывает величина угла завала опорного катка относительно корпуса объекта, которая фактически зависит от степени износа сопряжения «ось балансира — втулка оси балансира». Величина износа втулок балансира оказывает, кроме того, большое влияние на техническое состояние корпуса, опорных и поддерживающих катков, ведущего и направляющего колеса, элементов гусеницы [85,88,90].

Узел балансира с подшипником скольжения входит в состав ходовой части всех вышеперечисленных машин, его главное достоинство — это простота конструкции, высокая несущая способность и технологичность. Однако ввиду ряда причин, данный узел имеет достаточно низкую надежность, что влияет на надежность всей машины в целом, В качестве базовой машины, в работе была взята универсальная транспортная машина «Березина».

Рис. 2. Вероятность возникновения различных дефектов к моменту выхода базовой машины в капитальный ремонт: I — износ втулок балансира, оси балансира, коробление подкрылков и повреждение наружных укладок- 2 — изменение геометрии формы отверстий под бортовой редуктор- 3- остаточные прогибы днища- 4 — трещины в кронштейнах и друг их деталях- 5 -износ паза лабиринтных уплотнений кронштейна балансира- 6 — изменение геометрии формы отверстий кронштейнов балансиров. Заштрихованы показатели, так или иначе зависящие от износа подшипника балансира.

Ответственная работа узла балансира и значительный износ его деталей в процессе эксплуатации привели к необходимости искать методы и средства для повышения его работоспособности, а также износостойкости сопрягаемых деталей.

В последние годы разработано большое количество различных методов повышения износостойкости деталей узлов трения, в основе которых положения трибологии, рассматривающие механизмы трения и изнашивания как последовательные процессы: фрикционное взаимодействие, многократное упругопластическое деформирование микронеровностей и усталостное разрушение с отделением частиц износа.

Большинство методов являются, по сути, методами поверхностного упрочнения путем модифицирования структуры поверхностного слоя материала. Некоторые методы повышения износостойкости предусматривают нанесение различных износостойких материалов на сопрягаемые поверхности.

Каждый из известных в настоящее время методов имеют свои достоинства и недостатки, ограничивающие область их применения. Поэтому разработка эффективного и экономичного метода повышения износостойкости остается актуальной научной и практической задачей.

На основании изложенного сформулирована цель настоящей работыразработка и исследование влияния метода фрикционно-электрического модифицирования (ФЭМ) с использованием дисперсных модификаторов с поверхностно-активным веществом (ПАВ) на структуру и физико-механические эксплуатационные свойства поверхностного слоя оси балансира из стали 38ХС, на износостойкость сопряженной втулки подшипника балансира, с целью обеспечения надежности и долговечности всего узла.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложения.

5 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. На основании анализа особенностей конструкции и требований, предъявляемых к ходовой части гусеничной базовой машины и условий эксплуатации, свойств материалов, применяемых при изготовлении деталей, причин потери работоспособности узла балансира и снижения его надежности — установлено, что низкие показатели работоспособности и долговечности балансира определяются недостаточной износостойкостью подшипников скольжения балансира.

2. Известные методы поверхностного упрочнения сталей не обеспечивают в полной мере повышения требуемых показателей работоспособности подшипника балансира, что определяет актуальность разработки эффективного метода модификации структуры и свойств стали.

3. Разработан эффективный фрикционно-электрический метод поверхностного модифицирования, сочетающий фрикционное нагружение в условиях трения скольжения инструмента с сильноточной электрической нагрузкой в зоне фрикционного контакта инструмента с деталью, через промежуточную среду — модификатор, содержащий поверхностно-активное вещество.

4. Установлены характер и закономерности изменения структурно-фазового и напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя стали 38ХС от режимов ФЭМ.

5. Изучено дифференцированное влияние режимов фрикционно-электрической обработки на величину шероховатости поверхности, микротвердости поверхностного слоя и износостойкости трибосистемы, получены зависимости названных свойств от скорости обработки (скорость скольжения инструмента), подачи, деформирующей силы инструмента и силы тока.

6. Методами металлографического и рентгеноструктурного анализов изучены физические причины повышения механических свойств и износостойкости трибосопряжения, при обработке разработанным методомустановлено, что повышение названных свойств связано с изменением фазового состава и микроструктуры поверхностного слоя, вызывающим увеличение внутренних напряжений, повышение плотности дислокаций и уменьшение размера блоков мозаики поликристаллической структуры.

7. Все экспериментальные зависимости имеют экстремальный характер, и для каждой из них существует область максимальных или минимальных значений в определенных интервалах переменных значений параметров технологического процессапри этом показано, что разработанный метод позволяет достичь уменьшения параметра шероховатости до 4 раз, повышения микротвердости в 3,0−3,5 раза и повышения износостойкости трибосопряжения более чем в 5 раз.

8. Методом планирования факторных экспериментов и оптимизации режимов обработки установлены оптимальные режимы обработкиполученные уравнения регрессии позволяют прогнозировать износостойкость сопряжения в исследованных интервалах изменения режимов обработки.

9. Разработана методика расчета режимов фрикционно-электрической обработки, включающая математическое моделирование, отражающую зависимости температуры от режимов фрикционно-электрического нагружения с учетом изменения показателей механических свойств обрабатываемого материала.

10. Разработана методика и установка для фрикционно-электрического модифицирования структуры и свойств стальных деталей, обеспечивающие получение заданного повышения механических и триботехнических свойств стали.

11. Разработана методика и установка для фрикционно-электрического модифицирования трущихся поверхностей оси балансира базовой машины.

12. Разработана методика и установка ускоренных испытаний подшипника скольжения узла балансира базовой машины, а также методика и стенд — имитатор для проверки работоспособности узла балансир.

13. Проведены лабораторные испытания модифицированного узла балансира на установке ускоренных испытаний и стенде — имитаторепроведены ходовые испытания базовой машины с модифицированным балансиром. Результаты испытаний показали, что фрикционно-электрическое модифицирование обеспечивает более высокую работоспособность узла балансира базовой машины и позволяет увеличить ресурс машины в 1,3 раза, обеспечив увеличение пробега машины.

14. Проведенные исследования дополняют современные представления о сущности процессов, протекающих в поверхностных слоях стальных деталей при фрикционно-электрическом модифицировании и дают возможность практически использовать данный метод упрочняюще-чистовой обработки конструкционной стали для повышения физико-механических эксплуатационных свойств деталей узла балансира базовой машины и других подобных узлов.