3_Vencel.doc Снижение износа режущих элементов землеройно - транспортных машин при эксплуатации Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 17 Венцель Е.С., Щукин А.В., Коваль Р.Н. Харьковский национальный автомобильно - дорожный университет, г. Харьков, Украина E-mail: supercar_88@mail.ru СНИЖЕНИЕ ИЗНОСА РЕЖУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЗЕМЛЕРОЙНО - ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ УДК 621.878 Показано, что наиболее рациональным способом снижения износа режущих элементов, в частности ножей автогрейдера, является ионно-плазменное напыление. Приведены результаты эксплуатационных испытаний ножей автогрейдера, подверженных закалке токами высокой частоты и ионно-плазменному напылению TiN-Cr2N. Показа- но, что ионно-плазменное покрытие позволяет снизить износ режущих элементов приблизительно в 1,7 раза. Ключевые слова: режущий элемент, автогрейдер, ионно-плазменное покрытие, износ. Введение Одним из путей повышения эффективности использования землеройно-транспортных машин (ЗТМ) является обеспечение требуемого состояния их режущих элементов. Для этого необходима свое- временная и периодическая замена, ремонт режущих элементов или применение каких-либо альтерна- тивных способов, обеспечивающих снижение износа при эксплуатации ЗТМ [1]. Существующие на сего- дняшний день методы и способы решения этой проблемы имеют ряд недостатков и поэтому не могут в полной мере обеспечить материал режущих элементов рабочих органов (РО) ЗТМ необходимым набором механических свойств [2]. Известно, что наиболее часто применяемым способом снижения износа режущих элементов ЗТМ являются наплавка электродом, материал которого обладает значительно большей твердостью, чем материал режущего элемента. Кроме того, может быть применено нанесение на поверхность режущих элементов различных сверхтвердых и прочных покрытий [3 - 5 и др.]. Однако, главным недостатком дан- ных способов является плохая адгезия наплавленного материала с поверхностью РО. Авторы работы [5] полагают, что для снижения износа режущих элементов ЗТМ достаточно применить электролитические покрытия, в частности, хромирование, которое обеспечивает сверхвысо- кую твердость (HV 1050 - 1200) и соответственно, высокую износостойкость. При этом структура и тер- мическая обработка основного металла не нарушаются. Толщина таких покрытий не менее 0,5 мм. Наря- ду с хромированием для обеспечения тех же физико-механических свойств применяется осталивание. Суть способа заключается в нанесении на поверхность режущего элемента ЗТМ слоя железа толщиной не более 1,5 мм. Основные недостатки электролитических способов, обеспечивающих тонкие твердые слои, – не- обходимость дополнительной механической обработки, дороговизна и низкая производительность. К то- му же нанесенный слой зачастую не имеет прочного сцепления с материалом основной детали и при ра- боте ЗТМ отслаивается. Среди всех существующих способов снижения износа режущих элементов наибольшее распро- странение получила наплавка РО ЗТМ различными твердыми сплавами [3, 5]. При этом переднюю грань РО упрочняют твердым сплавом в виде наплавок износостойкими электродами или напаек, состоящих из металлокерамических твердых пластин. Наиболее часто наплавка осуществляется электродом Т-620, сормайтом, карбидом бора, порош- ком ПЛ-У40Х38Г2, углеродным электродом по слою сталинита, а также электродом Т-590 [1]. Однако, все вышеперечисленные способы получения наплавок не всегда эффективны, поскольку наплавка скалывается, не имея прочного сцепления с металлом основной детали [1, 4]. Кроме того, на- блюдается неоднородность износа наплавленных поверхностей, что объясняется неравномерностью рас- пределения карбидов. К тому же доля механической обработки наплавленного слоя составляет 75% от общей трудоемкости наплавки [1]. В последнее время все большее распространение получают ионно-плазменные покрытия (ИПП). Они, по мнению автора работ [6, 7], обеспечивают коррозионную стойкость, значительно повышают из- носостойкость и как следствие, ресурс деталей машин. Такие покрытия образуются в условиях конденса- ции ионной бомбардировки (КИБ) [8]. При этом ионная бомбардировка используется для очищения по- верхности от примесей и значительного повышения адгезионной связи покрытия с основным металлом [8]. Такие покрытия нашли применение в золотниковых парах гидропривода, которые изготавлива- ются из стали 38Х2МЮА. В ходе исследований было установлено, что ИПП TiN, нанесенное на поверх- ность золотниковых пар, уменьшает износ в 3,0 раза [6]. Вместе с тем авторами работы [7] установлено, mailto:supercar_88@mail.ru Снижение износа режущих элементов землеройно - транспортных машин при эксплуатации Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 18 что ИПП Ti-Cr-N обладают значительным сопротивлением пластической деформации. К тому же в [6] показана эффективность применения ИПП Ti-Cr-N, нанесенных методом КИБ, для шариков радиально- поршневых гидромашин однократного действия. При этом, как свидетельствуют результаты исследова- ний, износостойкость шариков, изготовленных из стали Р6М5Ф3-МП, повышается в 2,3 раза. К сожалению ионно-плазменная обработка в настоящее время не получила широкого примене- ния вообще и для режущих элементов РО ЗТМ, в частности, в силу малой изученности вопроса воздей- ствия на механические свойства различных материалов режущих элементов РО. Цель и постановка задачи Целью данной работы является исследование влияния ИПП TiN-Cr2N на износ режущих элемен- тов в процессе эксплуатации ЗТМ. Изложение материалов исследования Для того чтобы установить влияние ионно-плазменного покрытия TiN-Cr2N на износ режущих элементов ЗТМ, были проведены эксплуатационные испытания автогрейдера ДЗ-180, который приписан филиалу «Харьковский райавтодор» ГП «Харьковский облавтодор». Суть методики испытаний заключалась в следующем. Два средних грейдерных ножа, изготов- ленные из стали 65Г и подверженные закалке токами высокой частоты (ТВЧ), разрезали на две части ка- ждый. При этом меньшие по размеру части ножа шлифовали до шероховатости поверхности 0,32 мкм и подвергали ионной бомбардировке, а далее наносили ИПП TiN-Cr2N (рис. 1). Рис. 1 – Ножи грейдерные с закалкой ТВЧ (1) и покрытием TiN-Cr2N (2) Затем два фрагмента ножа, подверженные закалке ТВЧ и напылению ИПП TiN-Cr2N, а также два фрагмента ножа, подверженные лишь закалке ТВЧ, устанавливали на отвал автогрейдера ДЗ-180. При этом расстановка фрагментов ножа с покрытием и без него была следующая (рис. 2). В левой части отва- ла устанавливался сначала фрагмент ножа, подверженный лишь закалке ТВЧ, затем монтировался фраг- мент с закалкой ТВЧ и покрытием TiN-Cr2N, то есть фрагменты ножа с покрытием и без него поочередно чередовались друг с другом. Рис. 2 – Общий вид автогрейдера ДЗ-180 с ножами: 1 – после закалки ТВЧ; 2 – с ТВЧ и покрытием TiN-Cr2N Снижение износа режущих элементов землеройно - транспортных машин при эксплуатации Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 19 Далее установленные на отвале автогрейдера ДЗ-180 фрагменты ножей подвергались эксплуата- ции в течение 150 маш-час, в течение которых, согласно нашим поисковым лабораторным исследовани- ям величина износа достигает достаточно ощутимого значения. Перед проведением испытаний и через 150 маш-час эксплуатации на всех фрагментах ножа за- мерялась толщина поперечного сечения. Для этого была изготовлена смесь, состоящая из гипса и алеба- стра в соотношении 10:1. При этом грейдерные ножи помещались в пластиковые формы, которые зали- вались тщательно взбитой гипсовой смесью (рис. 3). Каждый фрагмент ножа устанавливался на три оди- наковых пластиковых контейнера с гипсовой смесью. Один контейнер со смесью размещали по центру фрагмента ножа, а два оставшихся – по краям. В таком положении, как показано на рис. 3, ножи находи- лись в течение часа. Рис. 3 – Расположение пластиковых контейнеров на средних ножах до проведения эксплуатационного эксперимента на автогрейдере ДЗ-180 По истечению указанного времени все фрагменты ножей демонтировались из контейнеров с за- стывшей гипсовой смесью. Затем эти контейнеры разрезались вдоль поперечного сечения ножа, след ко- торого остался после демонтажа (рис. 4). Поле этого полученные срезы поперечного сечения ножа подвергались сканированию с помо- щью многофункционального устройства Canon MP280. Далее на полученных в результате сканирования 12 отпечатках поперечного сечения ножа до и на 12 отпечатках после эксплуатации автогрейдера в тече- ние 150 маш-час с помощью программы КОМПАС-3D V12 определялась толщина поперечного сечения ножа на высоте 12 мм от верха отпечатка. Выбор значения высоты носил произвольный характер, так как полагалось, что изнашивание ножей происходит равномерно по всей поверхности, что связано с уста- новкой отвала под углом 90° относительно направления движения автогрейдера. Рис. 4 – Слепок ножа до эксплуатации Примеры отпечатков поперечного сечения ножа после эксплуатации представлены на рис. 5 и 6. Для получения достоверных результатов замеры износа грейдерного ножа проводились в пяти замерочных поясах для среднего ножа с ТВЧ и в пяти для среднего ножа с ТВЧ и ИПП TiN-Cr2N. Такая повторность замеров позволила получить достоверные результаты испытаний с относительной погреш- ностью до 3% при доверительной вероятности 0,9. Снижение износа режущих элементов землеройно - транспортных машин при эксплуатации Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 20 Рис. 5 – Отпечаток ножа автогрейдера после эксплуатации с ИПП TiN-Cr2N Рис. 6 – Отпечаток ножа, подверженного закалке ТВЧ, автогрейдера после эксплуатации Результаты определения толщины поперечного сечения и полученные значения износов ножей автогрейдера ДЗ-180 по истечению 150 маш-час представлены на рис. 7 и в табл. 1. Таблица 1 Толщины ножа автогрейдера после эксплуатации в течение 150 маш-час Параметр Толщина поперечного сечения ножа, мм Вид ножа правый нож лвый нож Тип способа с закалкой ТВЧ с закалкой ТВЧ + покрытие TiN-Cr2N с закалкой ТВЧ с закалкой ТВЧ + покрытие TiN-Cr2N Пояс I II III I II III I II III I II III До эксплуатации 7, 29 1 7, 24 2 7, 22 3 7, 30 4 7, 31 1 7, 29 0 7, 24 7 7, 23 7 7, 28 3 7, 31 2 7, 30 4 7, 33 1 После эксплуатации 6, 06 5 4, 44 4 4, 47 9 5, 53 4 5, 58 4 5, 60 7 4, 41 5 4, 42 8 4, 52 7 5, 55 3 5, 51 5 6, 55 5 Износ, мм 1, 22 6 2, 79 8 2, 74 4 1, 77 0 1, 72 7 1, 68 3 2, 83 2 2, 80 9 2, 75 6 1, 75 9 1, 78 9 0, 77 6 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Правый нож с ТВЧ Правый нож с ТВЧ+TiN-Cr2N Левый нож с ТВЧ Левый нож с ТВЧ+TiN-Cr2N W, мм I пояс II пояс III пояс Рис. 7 – Износ ножей автогрейдера с закалкой ТВЧ и ИПП TiN-Cr2N после эксплуатации в течение 150 маш-час Как видно из рис. 7, износ на первом участке левого и на третьем участке правого ножей имеет наименьшее значение – 1,226 мм и 1,759 мм, соответственно. Это объясняется тем, что в процессе мон- Снижение износа режущих элементов землеройно - транспортных машин при эксплуатации Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 21 тажа средних ножей крайние их части перекрываются установленными сверху боковыми ножами (боко- резами). Таким образом, изнашиванию подвергалась задняя поверхность ножа на этих участках и перед- няя поверхность боковых ножей. В связи с тем, что в разных замерочных поясах фрагментов ножей с покрытием и без него раз- брос значений износа составил около 3 %, можно заключить, что изнашивание носило равномерный ха- рактер по всей поверхности средних ножей. При этом наименьший износ имеет место у тех ножей, кото- рые подвергались напылению ИПП TiN-Cr2N. Так, например, износ второго и третьего участков правого ножа с покрытием TiN-Cr2N в 1,62 и 1,63 раза меньше, соответственно. Износ первого и второго участ- ков левого ножа, имеющего аналогичное покрытие, в 1,61 и 1,57 раза меньше, соответственно. Сравнивая значения износа крайних участков (первый участок на правом ноже и третий участок на левом ноже), можно заключить, что процесс изнашивания по задней поверхности носил менее интенсивный характер, чем на остальных участках ножа. Однако, износ третьего участка левого ножа с покрытием TiN-Cr2N в 1,58 раза меньше, чем износ первого участка правого ножа. При этом износ ножей, обладающих закалкой ТВЧ, составил в среднем 2,79 мм, а износ тех же ножей, но с покрытием TiN-Cr2N – 1,75 мм, что при- мерно в 1,6 раза меньше, чем износ штатных ножей. Был проведен также второй более длительный этап эксплуатационных испытаний автогрейдера ДЗ-180. При этом на автогрейдер была установлена система ножей, в которой чередуются их части с по- крытием и без него. Работа машины проводилась в штатном режиме, то есть автогрейдер выполнял при различных углах поворота среднего отвала все основные виды работ, которые характерны для него, а именно: ремонт и обслуживание дорожного покрытия, профилирование земляного полотна, строительст- во дорог и т. п. Целью таких испытаний было определение снижения износа частей ножа с закалкой ТВЧ и по- крытием TiN-Cr2N по предельному износу при штатных условиях эксплуатации. При этом в течение все- го периода эксплуатации каждые 50 маш-час ножи демонтировали и по выше описанной методике опре- деляли толщину поперечного сечения ножей. Результаты эксплуатационных испытаний приведены на рис. 8. 0 1 2 3 4 5 6 7 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 t, маш-час W, мм Рис. 8 – Зависимость износа W режущего элемента с закалкой ТВЧ (1) и с ИПП TiN-Cr2N (2) от времени t эксплуатации автогрейдера Как видно из представленных графиков, характер износа ножей на протяжении всего периода эксплуатации автогрейдера имеет прямолинейный характер, что, в принципе, хорошо согласуется с ре- зультатами наших поисковых лабораторных исследований [9] и аналогичных эксплуатационных испыта- ний зубьев экскаваторов [10]. Следует также отметить, что через 320 маш-час испытаний штатные ножи, которые были под- вержены ТВЧ, износились на максимально допустимую величину – 7 мм, что стало причиной необходи- мости их замены. После замены изношенных ножей на новые испытания продолжались до того времени, пока износ ножей, покрытых TiN-Cr2N, не оказался равным износу штатных ножей через 320 маш-час эксплуатации, то есть как следует из рис. 8, до 550 маш-час. 1 2 Снижение износа режущих элементов землеройно - транспортных машин при эксплуатации Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 22 Таким образом, можно считать, что в результате обработки ТВЧ и последующего нанесения по- крытия TiN-Cr2N износ ножей существенно уменьшается (примерно в 1,7 раза), что адекватным образом отразится на ресурсе ножа, а следовательно, на эффективности эксплуатации ЗТМ. Выводы Износ штатных режущих элементов (ножей) с ионно-плазменным покрытием TiN-Cr2N по срав- нению с ножами, обработанными лишь ТВЧ, примерно в 1,7 меньше и ресурс их составляет приблизи- тельно 550 маш-час. Литература 1. Рейш А.К. Повышение износостойкости строительных и дорожных машин / А.К. Рейш – М.: Машиностроение, 1986. – 184 с. 2. Густов Ю.И. Повышение износостойкости рабочих органов и сопряжений строительных ма- шин // Механизация строительства. – 1996. – № 5. – С. 15-16. 3. Выбор материала и метода повышения износостойкости режущих элементов бульдозеров / В.И. Мощенок, В.П. Тарабанова, Н.А. Лалазарова, Н.А. Проскурня / Вестник ХНАДУ : сб. научн. тр. – Харьков: ХНАДУ, 2007. – Вып. 38 – С. 122-125. 4. Износостойкая наплавка зубьев ковшей экскаватора / А.А. Данькин, В.И. Светлополянский, Н.Н Тюрин, И.Ф. Белявский [и др.] // Строительные и дорожные машины. – 1991. – № 3. – С. 15-16. 5. Петров И.В. Повышение долговечности рабочих органов дорожных машин наплавкой / И.В. Петров, И.К. Домбровская – М. : изд-во «Транспорт»,1970. – 104 с. 6. Рижков Ю.В. Підвищення зносо- і корозійної стійкості деталей об’ємного гідроприводу нане- сенням іонно-плазмових покриттів : автореф. дс. на соискание уч. степени канд. техн. наук : спец. 05.02.01 «Матеріалознавство» / Ю. В. Рижков. – Дніпропетровськ, 2010. – 19 с. 7. Роик Т.А. Повышение износо- и коррозионной стойкости деталей объемного гидропривода нанесением ионно-плазменных покрытий: монография / Т.А. Роик, Д.Б. Глушкова, Ю.В. Рыжков. – Харьков: 2012. – 112 с. 8. Д’яченко С.С. Іонно-плазмова обробка як фактор підвищення конструкційної міцності стале- вих виробів / С.С. Дяченко, І.В. Пономаренко // Нові матеріали і технології в металургії та машинобуду- ванні. – 2009. – № 1. – С. 71-77. 9. Щукин А.В. Закономерность изнашивания рабочих органов землеройно-транспортных машин / А.В. Щукин // Сб. науч. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Серия: Подъемно – транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование. – Дн – ск: ВГУЗ ПГАСА, 2012. – Вып. 66. – С. 224-227. 10. Хадеев Н.Т. Определение интенсивности изнашивания режущих элементов землеройных машин и дифференцирование норм их расхода с учетом грунтового фона : автореф. дс. на соискание уч. степени канд. техн. наук : спец. 05.05.04 «Дорожные, путевые и строительные машины» / Н. Т. Хадеев – Москва, 1984. – 17 с. Поступила в редакцію 11.03.2014 Снижение износа режущих элементов землеройно - транспортных машин при эксплуатации Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 2 23 Ventsel Ye. S., Shchukin A. V., Koval R. N. Decreasing the wear of cutting elements of earth - moving ma- chines during their operation. The method and results of performance tests grader blades exposed hardened by high frequency and sputter TiN- Cr2N. Recently, the ion- plasma coating has been inflicted on surface blades, initially exposed hardened by high frequency. To confirm the efficiency and obtain quantitative characteristics of the positive effect of the ion- plasma coatings under real operating conditions were performed us performance tests motor-grader DZ-180 . These tests were carried out in two stages. In the first test stage blade was set at an angle of 90 °, at which the load on the blade at the maximum, and hence the smallest resource . Besides a nip angle provides a uniform wear across the blade length. At the second stage of testing grader operated in normal mode without any restrictions, ie, carried out all types of work for which the capture angle of blade varies from 10 to 90 °. Defined knife wear grader hardened by high frequency and ion-plasma coating. Found that the ion- plasma coating reduces the wear of the cutting element about 1.7 times . It is shown that the average wear of grader blades for the capture angle of 90° occurs not only at the front , but also on the rear surfaces of the blade. In this part of the blade that had an ion- plasma coating TiN-Cr2N and wear only the back surface has a shy less wear than the blade fragments that worn under the same conditions as the front surface. Keywords: cutting element, ion-plasma coating, motor grader, paving, wear, resource. References 1. Rejsh A.K. Povyshenie iznosostojkosti stroitel'nyh i dorozhnyh mashin. M. Mashinostroenie, 1986, 184 p. 2. Gustov Ju.I. Povyshenie iznosostojkosti rabochih organov i soprjazhenij stroitelnyh mashin Mehanizacija stroitel'stva, 1996, No. 5, pp. 15–16. 3. V.I. Moshhenok, V.P. Tarabanova, N.A. Lalazarova, N.A. Proskurnja Vybor materiala i metoda povyshenija iznosostojkosti rezhushhih jelementov bul'dozerov. Vestnik HNADU : sb. nauchn. tr. Har'kov: HNADU, 2007. Vyp. 38, pp. 122–125. 4. A.A. Dan'kin, V.I. Svetlopoljanskij, N.N Tjurin, I.F. Beljavskij Iznosostojkaja naplavka zub'ev kovshej jekskavatora. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny. 1991,No 3, pp.15–16. 5. Petrov I.V., .K. Dombrovskaja Povyshenie dolgovechnosti rabochih organov dorozhnyh mashin naplavkoj. M : izd-vo «Transport», 1970, 104 p. 6. Rizhkov Ju.V. Pіdvishhennja znoso- і korozіjnoї stіjkostі detalej ob’єmnogo gіdroprivodu nane- sennjam іonno-plazmovih pokrittіv : avtoref. ds. na soiskanie uch. stepeni kand. tehn. nauk : spec. 05.02.01 «Materіaloznavstvo». Dnіpropetrovs'k, 2010, 19 p. 7. Roik T.A., Glushkova D.B., Ryzhkov Ju.V. Povyshenie iznoso- i korrozionnoj stojkosti detalej ob’emnogo gidroprivoda naneseniem ionno-plazmennyh pokrytij: monografija. Har'-kov: 2012, 112 p. 8. D’jachenko S.S., Ponomarenko І.V. Іonno-plazmova obrobka jak faktor pіdvishhennja konstrukcіjnoї mіcnostі stale-vih virobіv. Novі materіali і tehnologії v metalurgії ta mashinobudu-vannі. 2009, No 1, pp. 71– 77. 9. Shhukin A.V. Zakonomernost' iznashivanija rabochih organov zemlerojno-transportnyh mashin. Sb. nauch. tr.: Stroitel'stvo. Materialovedenie. Mashinostroenie. Serija: Pod’emno-transportnye, stroitel'nye i dorozhnye mashiny i oborudovanie. Dn – sk: VGUZ PGASA, 2012, Vyp.66, pp. 224–227. 10. Hadeev N.T. Opredelenie intensivnosti iznashivanija rezhushhih jelementov zemlerojnyh mashin i differencirovanie norm ih rashoda s uchetom gruntovogo fona : avtoref. ds. na soiskanie uch. stepeni kand. tehn. nauk : spec. 05.05.04 «Dorozhnye, putevye i stroitel'nye mashiny». Moskva, 1984, 17 p.