Проектування технології відновлення та зміцнення колінчастих валів коліно - важільних пресів. Частина 1… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 33 Андрущенко М.І., Осіпов М.Ю., Куликовський Р.А., Капустян О.Є., Акритова Т.О. Запорізький національний технічний університет, м. Запоріжжя, Україна E-mail: mosipov61@ukr.net ПРОЕКТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВІДНОВЛЕННЯ ТА ЗМІЦНЕННЯ КОЛІНЧАСТИХ ВАЛІВ КОЛІНО- ВАЖІЛЬНИХ ПРЕСІВ. ЧАСТИНА 1. АНАЛІЗ УМОВ РОБОТИ, ХАРАКТЕРУ І МЕХАНІЗМІВ ЗНОШУВАННЯ РОБОЧИХ ПОВЕРХОНЬ ВАЛІВ ТА ВИБІР МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ ВІДНОВЛЕННЯ Проведено аналіз умов, характеру і механізмів зношування робочих елементів колінчастих валів коліно- важільних пресів, які застосовується для напівсухого пресування вогнетривких і будівельних матеріалів. Показано, що поверхня шатунної шийки працює в умовах багатоциклового втомного зношування. Із-за нерівномірності пито- мого тиску на поверхню шийки в межах одного циклу пресування (холостий і робочий хід) величина зносу по її пе- риметру не однакова і змінюється в межах 1,0 - 5,0 мм (з'являється овальність перетину шийки). В результаті зношу- вання утворюється зазор між робочою поверхнею шийки і внутрішньою поверхнею підшипника ковзання, збільшу- ється ступінь динамічності роботи механізму пресування, з'являються вібрації, що негативно впливає не тільки на опір зношуванню поверхонь деталей, які безпосередньо контактують, а й на надійність роботи та довговічність ін- ших деталей пресу в цілому. Встановлено, що посадочні місця під підшипники кочення і маточини зубчастої шестерні зношуються в ре- зультаті фреттинг-корозії, на що вказує наявність дрібних продуктів зношування (оксидів) на посадочних місцях. При досягненні критичної величини зносу (соті долі міліметра) може виникати проковзування сполучених повер- хонь валу і підшипників, що призводить до інтенсивного адгезійного зношування та утворення задирів. Шпонковий паз зношується, як в результаті фреттинг-корозії, так і ще в більшій мірі, внаслідок пластичного деформування (зми- нання) його бічних поверхонь. В якості матеріалу для відновлення поверхні шатунної шийки наплавленням валів зі сталей типу 45, 40Х або 40ХМ доцільно використовувати сталь 40Г2Ф, а для наплавлення посадкових місць і заплавлення шпонкових па- зів - метал типу 35СГ. Ключові слова: колінчастий вал, коліно-важільний прес, шатунна шийка, шпонковий паз, знос, наплавлення. Вступ Ефективність роботи обладнання багато в чому залежить від технологічних перерв та зупинок на плановий або аварійний ремонти, а також від матеріальних затрат на ремонтні роботи. Найбільшою мі- рою це пов'язано зі зносом деталей та пресової оснастки. Однією із проблем підприємств по виготовлен- ню вогнетривких та будівельних матеріалів є низький строк служби деталей коліно-важільних пресів. Зокрема, колінчасті вали цього обладнання дуже металомісткі (вага до 1,5 т), трудомісткі у виготовленні, піддаються одночасно трьом видам зношування: втомному поверхневому руйнуванню шатунної шийки, фретинг-корозії поверхонь посадкових місць і зминанню шпонкових пазів. В результаті зношування ви- никають люфти (вільний хід) між деталями, які безпосередньо контактують, підвищується ступінь дина- мічності роботи пресу, виникають вібрації. Це негативно впливає не тільки на опір зношуванню цих де- талей, але і на надійність роботи інших елементів вузла пресування та працездатність пресу в цілому. Тому задача відновлення зношених поверхонь валів та підвищення їх зносостійкості є актуальною. Мета роботи Метою даної роботи було проведення аналізу схеми та умов роботи валу, характеру та механіз- мів зношування; обґрунтування вибору матеріалів відновлення. Матеріали і методика проведення роботи Вид, характер та механізм зношування вивчали у виробничих умовах шляхом аналізу стану ро- бочих поверхонь валів на підготовлених до ремонту деталях. Вибір способу наплавлення проводили шляхом узагальнення та порівняння відомих даних відносно способів наплавлення, враховуючи розміри та форму робочих поверхонь валу. Вибір матеріалів проводили на основі результатів досліджень зносо- стійкості металу в умовах тертя ковзання за схемою ролик-колодка, також, на основі аналізу термокіне- тичних діаграм, враховували поведінку аустеніту в умовах термічного циклу наплавлення. Порівнювали матеріали з феритною, ферито-перлітною, проміжними структурами та мартенситною. Проектування технології відновлення та зміцнення колінчастих валів коліно - важільних пресів. Частина 1… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 34 Аналіз умов, характеру та механізмів зношування робочих поверхонь колінчастих валів Очевидно, що обґрунтований вибір матеріалів для зміцнення і відновлення деталей, структурно- го стану і способу зміцнення можливий тільки на основі досить повних знань про параметри умов робо- ти, характер і механізм зношування робочих поверхонь і вимог до деталі. Колінчасті вали є однією з основних деталей високої вартості механічних коліно-важільних пре- сів. Одним з них є прес СМ-1085А, який, в основному, призначений для напівсухого пресування вогнет- ривких, будівельних та інших виробів із порошкоподібних мас [1]. Прес складається із станини з верти- кальними напрямними, приводного механізму і вузла пресування (рис. 1). Приводний вал передає обер- тання від електродвигуна через проміжний вал колінчастому валу. Останній пускає в хід механізм пресу- вання, який складається з напрямних, рухливого повзуна, верхнього і нижнього штампотримачів та прес- форми. Колінчастий вал з'єднаний з механізмом пресування шатуном. Зусилля на вузол, пресування пе- редаються за допомогою ланок 2, 3, 4. Повзун 5 з верхнім штампотримачем 6 здійснює зворотно- поступальні рухи у вертикальній площині. Рис. 1 – Кінематична схема вузла пресування пресу СМ-1085А: 1 – колінчастий вал; 2 – шатун; 3, 4 – важелі (ланки); 5 – повзун; 6 – верхній штампотримач; 7 – зубчасте колесо; 8 – прес-форма; 9 – нижній штампотримач Колінчастий вал (рис. 2) являє собою деталь з двома співвісними корінними шийками і однією шатунною шийкою, зміщеною по відношенню до корінних на 230 мм. Вал обертається з кутовою швид- кістю 8 - 10 хв–1. У момент, коли ланки 3 і 4 розташовуються уздовж однієї вертикальної лінії, досяга- ються найбільші зусилля пресування та створюється максимальне навантаження на шатунну і корінні шийки. Потім відбувається «зламування» ланок 3 і 4, настає зворотний (холостий) хід повзуна. Вали пра- цює як балка на двох опорах з можливістю незначного ковзання уздовж осі. Зусилля (реакції) в підшип- никах спрямовані по нормалі до осьової лінії. Вали виготовляються із сталей типу 45, 40Х або 40ХМ з твердістю HRC 30 - 35. Шатунна та корінні шийки можуть піддаватись накатуванню. Швидкість ковзання поверхні шатунної шийки відносно підшипника коливається в межах 0,10 - 0,13 м/с, що не достатньо, щоб викликати помітний фрикційний нагрів навіть при відсутності мас- тила. Температура поверхні валу і втулки практично не відрізняється від температури повітря в примі- щенні (20-50 °С). Навантаження на поверхні тертя, в межах одного обороту вала, змінюється від незнач- ного, при холостому ході, до максимального рівня, в момент, коли прес розвиває зусилля до 600 т на за- вершальній стадії пресування. Відомо, що питомий тиск залежить від площі контакту поверхонь, яка в міру припрацьовування і зношування деталей може змінюватися. Сили тертя в контакті цапфи з втулкою не впливають на розміри зони контакту і розподіл тиску [2]. Питомий тиск в зоні контакту може досягати 500 МПа, а при наявності микронерівностей значно перевищувати ці значення. В процесі роботи на спо- лучених поверхнях валу виникають багато - циклові напруження, що призводять до їх зношування. Проектування технології відновлення та зміцнення колінчастих валів коліно - важільних пресів. Частина 1… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 35 Рис. 2 – Колінчастий вал пресу СМ-1085А та зони зношування його робочих поверхонь: 1 – шатунна шийка; 2 – корінна шийка. На валу можна виділити три види робочих поверхонь, зношування яких визначає термін його служби: 1. Поверхня шатунної шийки, яка працює в парі з бронзовим підшипником ковзання. 2. Поверхні двох корінних шийок, які є посадковими місцями для підшипників кочення. 3. Шпонкові пази (два або три з кожної сторони валу), які працюють в парі зі сталевими загарто- ваними шпонками, що містяться на одному з кінців валу, який служить посадковим місцем для маточини зубчастого колеса. Найбільш ймовірним процесом поверхневого руйнування кривошипно-шатунної шийки є бага- тоциклова втома, яка виникає в результаті повторного деформування мікрооб'ємів матеріалу, що викли- кає утворення тріщин і відділення частинок матеріалу [2, 3, 4]. В результаті зношування через нерівномі- рність розподілу тиску поверхня шийки валу набуває еліпсності (рис. 2). Максимальний її знос за міжре- монтний період іноді досягає 5 мм. Для можливості їх подальшої експлуатації потрібне відновлення на- плавленням шаром рівним величині зносу плюс припуск на обробку (до 2 - 3 мм). Не дивлячись на відсутність процесу взаємного ковзання внутрішнього кільця підшипника ко- чення, маточини зубчастого колеса та посадкових місць валу, робочі поверхні в цих зонах також зношу- ються. Це є наслідком протікання між деталями, які щільно контактують, фреттинг-корозії. Інтенсивність зношування посадкових місць набагато менша, ніж на шатунній шийці (десяті частки міліметра). Однак і в цьому випадку подальша експлуатація валу без відновлення посадкових місць не можлива. У сполученні шпонки з поверхнею паза також можливе протікання фреттинг - корозії. Однак цей вид зношування не є переважаючим. Поверхні пазів шпонок втрачають свою працездатність в основному в результаті пластичного деформування (зминання) (рис. 2). Таким чином, для досягнення поставленої в роботі мети необхідно вибрати матеріали, які мають досить високу опірність втомному зношуванню, фреттинг - корозії та зминанню. Вибір і обґрунтування матеріалу для наплавлення колінчастих валів При виборі типу наплавленого металу виходили з того, що крім вимог підвищеної зносостійкос- ті, повинна бути забезпечена достатня оброблюваність, висока чистота поверхні після обробки, відсут- ність тріщин. Ці властивості залежать перш за все від хімічного складу, поведінки аустеніту при охоло- Проектування технології відновлення та зміцнення колінчастих валів коліно - важільних пресів. Частина 1… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 36 джені металу, твердості поверхні та можуть змінюватися в протилежних напрямках. Виходячи з цього порівнювали кілька типів матеріалів для наплавлення [6, 7, 8] і структур наплавленого металу (таблиця): 1) низьковуглецеві нелеговані сталі типу сталь 10; 2) середньовуглецеві низьколеговані сталі, які близькі за складом до основного металу колінчас- того валу, зокрема сталь 40Х; 3) середньовуглецеві підвищеної легованості сталі типу 35ГС, 40Г2Ф, 30ХГСА, 30Х5; 4) високовуглецеві, низько- або середньолеговані сталі близькі за складом до нетеплостійких або напівтеплостійких сталей, наприклад сталь 65Х5Г2. Всі ці матеріали випускаються промислово у вигляді дротів і холоднокатаних стрічок. Таблиця Властивості наплавленого металу (зразки) № групи Тип металу Твердість, HRC Відносна зносостійкість, ε Технологічність* 1 Сталь 10 160 НВ 1,0 + 2 40Х 20 - 25 1,4 + 3 30ХГСА 28 - 30 1,6 + 3 30Х5 30 - 31 1,7 + 3 35ГС 28 - 30 1,7 + 3 40Г2Ф 44 - 46 2,5 + 4 65Х5Г2 55 - 57 3,2 - Примітка: * – можливість наплавлення без тріщин, задовільна оброблюваність Матеріалами першої групи періодично відновлюють невеликі вали на підприємствах вогнетрив- кої та будівельної промисловості. Однак, через низький вміст вуглецю, в наплавленому шарі може бути отримана переважно феритна структура металу твердістю не вище 130 - 170 НВ, що недостатньо для під- вищення опірності втомному зношуванню, в умовах експлуатації шийок колінчастих валів. При наплавленні матеріалу четвертої групи могла б бути отримана більш висока твердість і зно- состійкість. Однак, при цьому, збільшується ймовірність гарячих і холодних тріщин. Крім того, механіч- на обробка різанням деталей, наплавлених такими матеріалами, практично не можлива. �� �Z�� �[�� Рис. 3 – Термокінетична діаграма перетворення переохолодженого аустеніту сталей 40Г2Ф (а) і 35СГ (б) [7] Аналіз термокінетичних діаграм [5, 7, 9] матеріалів, що відповідають складам другої і третьої груп (табл.), показує, що наплавлення сталями другої групи не дозволить отримати помітно більш високу твердість через низьку стійкість аустеніту в області критичних температур в процесі охолодження напла- вленого металу. Початок кривих проміжних перетворень на термокінетичних діаграмах таких сталей (наприклад, сталь 40Х) зміщені вліво до дуже малих значень часу до початку розпаду аустеніту (3 - 4 с) Проектування технології відновлення та зміцнення колінчастих валів коліно - важільних пресів. Частина 1… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 37 [5]. Тому, при охолодженні металу на повітрі, утворюється ферито-перлітна структура низької твердості й зносостійкості навіть в умовах фретинг-корозії. Тільки при високих швидкостях охолодження в воді, або в водних розчинах, можливе отримання металу досить високої твердості 40 - 50 НRC. Однак при на- плавленні такі швидкості недосяжні. Аналіз характеру перетворення аустеніту більш легованих сталей (рис. 3) показав, що поставле- ній в роботі задачі наплавлення шатунної шийки відповідає метал типу 40Г2Ф, а для наплавлення посад- кових місць під підшипники кочення і зубчасте колесо можна використовувати метал типу 35ГС. Завдяки підвищеній стійкості аустеніту металу типу 40Г2Ф при охолодженні (рис. 3, а) в наплав- леному металі утворюється бейнітна структура достатньої твердості й зносостійкості безпосередньо піс- ля охолодження на повітрі. Не виключено присутність в структурі деякої кількості середньовуглецевого мартенситу. Але при цьому ще можлива механічна обробки наплавлених деталей на токарних верстатах. Таким чином, в якості матеріалу для наплавлення шатунних шийок найбільш прийнятною сталь 40Г2Ф, а для корінних шийок – 35ГС. Висновки 1. Проведено аналіз умов, характеру і механізмів зношування робочих елементів колінчастих ва- лів коліно - важельних пресів, які застосовуються для напівсухого пресування вогнетривких і будівель- них матеріалів. Показано, що поверхня шатунної шийки працює в умовах багатоциклового втомного зношування. Із-за нерівномірності питомого тиску на поверхню шийки в межах одного циклу пресуван- ня (холостий і робочий хід) величина зносу по її периметру не однакова і змінюється в межах 0,4 - 2,0 мм (з'являється овальність перетину). 2. В результаті зносу утворюється зазор між робочою поверхнею шийки і внутрішньою поверх- нею підшипника ковзання, збільшується ступінь динамічності роботи механізму пресування, з'являються вібрації, що негативно впливає не тільки на опір зношуванню поверхонь деталей, які безпосередньо кон- тактують, а й на надійність роботи та довговічність інших деталей пресу в цілому. 3. Посадкові місця під підшипники кочення і маточину зубчастої шестерні зношуються в резуль- таті фреттинг-корозії, на що вказує наявність дрібних продуктів зношування (оксидів) на посадкових мі- сцях. При досягненні критичної величини зносу (соті долі міліметра) може виникати проковзування по- верхонь валу і підшипників, що призводить до утворення задирів. 4. Шпонковий паз зношується, як в результаті фреттинг-корозії, так й, ще в більшій мірі, пласти- чного деформування (зминання) його бічних поверхонь. 5. В якості матеріалу для відновлення поверхні шатунної шийки наплавленням доцільно викори- стовувати сталь 40Г2Ф, а для наплавлення посадкових місць і заварювання шпонкових пазів – метал ти- пу 35СГ. Література 1. Байсоголов В.Г. Механическое и транспортное оборудование заводов огнеупорной промыш- ленности / В.Г. Байсоголов �� М.: Металлургия, 1981. �� 296 с. 2. Костецкий Б.И. Поверхностная прочность при трении / Б.И. Костецкий, И.Г. Носовский, А.К. Караулов и др. – К.: Техника, 1976. �� 292 с. 3. Крагельский И.В. Трение, изнашивание и смазка: справочник. Кн. 1 / под ред. И.В. Крагель- ского и В.В. Алисина. – М.: Машиностроение, 1978. – 400 с. 4. Жильнеков Е. П. Основы триботехники: учеб. для вузов/ Е.П. Жильнеков, В.Н. Самсонов – Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т, 2012. – 136 с. 5. Тылкин М.А. Справочник термиста ремонтной службы / М.А. Тылкин �� М.: Металлургия, 1981. �� 648 с. 6. Биковський О.Г. Довідник зварника [Текст] / О.Г. Биковський, І.В. Піньковський – К.: Техніка, 2002. – 336 с. 7. Попов А.А., Попова Л.Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохла- жденного аустенита / А.А. Попов, Л.Е. Попова – М.: Металлургия, 1965. – 494 с. 8. Андрущенко М.И. Способность к самоупрочнению поверхности трения и износостойкость на- плавленного металла в условиях абразивного изнашивания / М.И. Андрущенко, Р.А. Куликовский, С.П. Бережный, О.Б. Сопильняк // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении. – 2009. – №1. – С. 30-37. 9. Шоршоров, М. Х. Фазовые превращения и изменения свойств стали при сварке / М. Х. Шор- шоров, В.В. Белов - М.: Наука, 1972. - 220 с. Поступила в редакцію 11.12.2017 Проектування технології відновлення та зміцнення колінчастих валів коліно - важільних пресів. Частина 1… Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 38 Andrushchenko M.І., Osіpov M.Y., Kulikovsky R.A., Kapustіan О.YЕ., Magda Е.S., Akrytova T.О. Designing of the technology of restoration and strengthening of the crankshaft knee-lever presses. Part 1. Analysis of the working conditions, the characteristic and the mechanism of the wear of working surfaces, selecting materials for repair. The analysis of the conditions, nature and mechanisms of wear of the working elements of the crankshaft of the knee-lever press used for semi-dry pressing of refractory and building materials is carried out. It is shown that the surface of the crankpin works under conditions of fatigue fatigue wear. Due to the uneven specific pressure on the cervical surface within one pressing cycle (idle and working stroke), the amount of wear along the circumference is not the same and varies within 1.0-5.0 mm (ovality of the neck section appears). As a result of wear, a gap is formed between the working surface of the neck and the inner surface of the sliding bearing, the degree of dynamism of the pressing mechanism increases, vibrations appear, which negatively affects not only the wear resistance of the surfaces of the parts that are in direct contact, but also the reliability and durability of other press components generally. It has been established that the seats under the rolling bearings and the pinion of the pinion gear wear out as a result of fretting corrosion, as indicated by the presence of small wear products (oxides) in the seating positions. When the critical wear value (hundredths of a millimeter) is reached, slippage of the conjugate surfaces of the shaft and bearings may occur, which leads to intensive adhesion wear and scoring. Keyway groove wears out both as a result of fretting corrosion, and even more as a result of plastic deformation (crushing) of its lateral surfaces. It is advisable to use 40Г2Ф steel as a material for restoring the surface of the crankpin by surfacing, and for metal deposition of seats and fusion of keyed grooves, a metal of the 35СГ type. Key words: crankshaft, knee-lever press, connecting rod, keyway, wear, surfacing. References 1. Bajsogolov V.G. Mehanicheskoe i transportnoe oborudovanie zavodov ogneupornoj promyshlennosti. V.G. Bajsogolov. M. Metallurgija, 1981. 296 s. 2. Kosteckij B.I. Poverhnostnaja prochnost' pri trenii. B.I. Kosteckij, I.G. Nosovskij, A.K. Karaulov i dr. K. Tehnika, 1976. 292 s. 3. Kragel'skij I.V. Trenie, iznashivanie i smazka: spravochnik. Kn. 1. pod red. I.V. Kragel'skogo i V.V. Alisina. M. Mashinostroenie, 1978. 400 s. 4. Zhil'nekov E. P. Osnovy tribotehniki: ucheb. dlja vuzov. E.P. Zhil'nekov, V.N. Samsonov. Samara: Samar. gos. ajerokosm. un-t, 2012. 136 s. 5. Tylkin M.A. Spravochnik termista remontnoj sluzhby. M.A. Tylkin. M. Metallurgija, 1981. 648 s. 6. Bikovs'kij O.G. Dovіdnik zvarnika [Tekst]. O.G. Bikovs'kij, І.V. Pіn'kovs'kij. K. Tehnіka, 2002. 336 s. 7. Popov A.A., Popova L.E. Izotermicheskie i termokineticheskie diagrammy raspada pereohlazhdennogo austenita. A.A. Popov, L.E. Popova. M. Metallurgija, 1965. 494 s. 8. Andrushhenko M.I. Sposobnost' k samouprochneniju poverhnosti trenija i iznosostojkost' naplavlennogo metalla v uslovijah abrazivnogo iznashivanija. M.I. Andrushhenko, R.A. Kulikovskij, S.P. Berezhnyj, O.B. Sopil'njak. Novye materialy i tehnologii v metallurgii i mashinostroenii. 2009. №1. S. 30-37. 9. Shorshorov, M. H. Fazovye prevrashhenija i izmenenija svojstv stali pri svarke. M. H. Shorshorov, V.V. Belov. M. Nauka, 1972. 220 s.