Технология восстановления и упрочнения деталей машин электроконтактной приваркой биметаллических материалов

ком отказа продолжительность использования электрооборудования после установленного системой ППРсх (но нереализованного) срока профилактической его замены. Например, из таблицы следует, что при среднем сроке службы электрооборудования 48 мес (4 года) с риском 1 % допустимо эту операцию выполнить в течение полумесяца (х = 0,48 мес) после запланированного срока.

В последние годы опубликованы некоторые исследования по статистической оценке среднего остаточного ресурса (точнее, среднего остаточного времени) работы изделий, уже проработавших некоторое время £ [6]. В качестве математической модели используется процесс функционирования изделия до первого отказа. Используемая в этих публикациях модель, исключающая возможные замены элементов при отказах и профилактических воздействиях, не адекватна принятой практике эксплуатации. Кроме того, предлагаемые рекомендации по использованию остаточного ресурса для решения многих практических задач являются необоснованными и ошибочными. Например, использование среднего остаточного ресурса для определения потребности в запасных частях интуитивно невозможно, поскольку для этого необходимо знать число отказов за рассматриваемый период (число запасных элементов должно быть не менее числа отказов) и др.

Выводы

Учитывая, что остаточное время безотказной работы является случайной величиной, в качестве математической модели принят известный в теории надежности случайный процесс восстановления, остаточное время безотказной работы которого после заданного времени £ является одной из характеристик этого процесса. Процесс восстановления наиболее адекватно описывает функционирование изделий при их эксплуатации в сельскохозяйственном производстве и позволяет решить многие важные практические задачи, например обоснование

стратегий обслуживания, их параметров, потребность в запасных элементах и др. [5]. Причем математическая модель представлена в двух видах: в нестационарном режиме («точная» модель) и в стационарном режиме (приближение) наиболее часто применяемом при решении практических задач эксплуатации.

Установлено, что длительность периода использования изделия для дальнейшего его применения после некоторого безотказного времени работы £ существенно зависит от среднего времени жизни восстанавливаемого изделия Т и для практического применения имеет смысл лишь при значении этого времени, близком к нормативному — около 7 лет (4 года и 3 года соответственно до капитального ремонта и после). При других значениях среднего времени возможно его временное применение лишь при более низких требованиях к вероятности безотказной работы (менее 0,99).

Использование среднего остаточного времени работы изделия до отказа является необоснованным, а практические рекомендации по его применению преувеличены и ошибочны.

Список литературы

1. Гнеденко, Б.В. Математические методы в теории надежности / Б.В. Гнеденко, Ю.К. Беляев, А.Д. Соловьев. — М.: Наука, 1965.

2. Байхельт, Ф. Надежность и техническое обслуживание. Математический подход / Ф. Байхельт, П. Франкен. — М.: Радио и связь, 1988.

3. Барлоу, Р. Математическая теория надежности / Р. Барлоу, Ф. Прошан. — М.: Наука, 1996.

4. Соловьев, А.Д. Основы математической теории надежности: Ч. 1 / А.Д. Соловьев. — М.: Знание, 1975.

5. Сырых, Н.Н. Теоретические основы эксплуатации электрооборудования / Н.Н. Сырых, Н.Е. Кабдин. — М.: Аг-робизнесцентр, 2007.

6. Борисов, Ю.С. Ресурс подшипниковых узлов электродвигателей в сельскохозяйственном производстве / Ю.С. Борисов // Техника в сельском хозяйстве. — 2008. — № 4. — С. 22-25.

УДК 621.8.004.67:621.791.76/79

П.И. Бурак, канд. техн. наук, доцент

ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ПРИВАРКОЙ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Метод восстановления изношенных деталей укладывается промежуточный слой из металличе-электроконтактной приваркой биметалличе- ского порошка или ленточного припоя, которые при-ских покрытий заключается в том, что между дета- вариваются путем пропускания импульса тока и налью и дополнительным присадочным материалом пряжения (рис. 1) [1-3].

74 - ВестникФГ0УВП0МГАУ№Г2010 -

3

Рис. 1. Схема биметаллического покрытия:

а — толщина биметаллического покрытия; 1 — деталь;

2 — промежуточный слой; 3 — металлическая лента

Технологический процесс приварки многослойного биметаллического покрытия при восстановлении деталей механизмов и машин заключается в изготовлении дополнительных ремонтных деталей в виде лент, нанесении на их поверхность порошкового материала, соединения лент с восстанавливаемой поверхностью путем шагового-шовного нагрева импульсным током величиной 4.. .6 кА и напряжением 3.5 В с одновременным приложением давления и охлаждением зоны соединения (рис. 2).

Перед приваркой второго слоя ленты и последующих слоев необходимо произвести проковку приваренного слоя ленты, т. е. сгладить гребешки после электроконтактной приварки лента порошок деталь или последующих слоев лента-порошок-лента. При приварке второго слоя температурный режим не влияет на твердость первого приваренного слоя и, следовательно, не вызывает изменения его физико-механических свойств. При необходимости восстановления деталей до номинального размера приварку ленты с порошковыми материалами производят в несколько слоев в той же последовательности при тех же оптимальных режимах. При этом вследствие возникающего переходного сопротивления (рис. 3) ленты-порошка-детали в течение импульса тока происходит локальный нагрев основной детали, присадочной ленты и порошка.

Под действием приложенного усилия сжатия образуется неразъемное соединение. Перед электроконтактной приваркой деталь и стальную ленту промывают для удаления с поверхности масла, ржавчины, других загрязнений и обезжиривают в органических растворителях. Подготовленные для восстановления детали и металлическая лента должны быть сухими и иметь металлический блеск. Затем деталь устанавливается в центросместите-ли, а электрод-ролик устанавливают в средней части восстанавливаемого участка и включают вращение шпинделя. Одновременно включают сварку, тем самым прихватывают ленту к детали, чтобы лента

§

Рис. 2. Схема многослойного биметаллического покрытия

в процессе сварки не перекашивалась. Затем подводят электрод-ролик в крайнее положение участка детали, включают продольную подачу (3.3,5 мм/об) и вращение шпинделя (4.5 об/мин), восстанавливают весь участок детали.

Сварочный ток 4.6 кА проходит через контакт лента-порошок-деталь импульсами. При вращении детали во время приварки на ее поверхности образуется ряд точек, причем каждая импульсная точка перекрывает предыдущую, в результате чего получается непрерывный шов. При задании детали вращательного и продольного перемещения приварка ленты происходит по винтовой линии. Следует отметить, что электроконтактная приварка характеризуется кратковременным про-

х к п к, м2 //

ъ' ^гу к', п1 | к , S п2 )

/ )

/

♦..... --.

Рис. 3. Схема электрических сопротивлений:

Лп, Лп1, Лп2 — переходное сопротивление между электродами и поверхностью ленты, ленты-припоя и припоя-металла основной детали соответственно; к ,, к ,, к , — сопротивление металла соответственно

мР м2' м3 *

ленты, слоя припоя и основной детали; 1 — роликовые электроды; 2 — стальная лента; 3 — припой; 4 — восстанавливаемый вал

1

к

теканием процесса, за малый промежуток времени в свариваемой точке выделяется такое количества тепла, которое достаточно для приварки металла.

В момент образования связей между металлами атомы основного и дополнительного металлов возбуждены, поэтому скорость реакции в общем виде можно выразить уравнением

§ = (Nо -х)vе"

KT

где х — число атомов, вступивших в химическую связь; Ы0 — число контактирующих атомов на поверхности основного и дополнительного металлов детали ленты; V — частота собственных колебаний атомов; Q — энергия активизации образования химических связей; К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.

Проинтегрировав уравнение (1) при температуре приварки Тп = const и подставив t = 0, х = 0, t = ta, х = N, получим время, в течение которого прореагирует N атомов:

1

ta =— In V

N

0

Q_ KT

Выражение МЫ0 может быть приблизительно оценено по относительной прочности соединения между основным (дополнительным) материалом и промежуточным слоем порошка, когда процесс массопереноса между ними отсутствует. Из уравнения (2) можно получить выражение, описывающее изменение относительной прочности соединения:

N 1

— = 1 - е N

Процессы образования соединения ленты-порошка-детали при приварке протекают обычно при толщине промежуточного слоя 0,010.. .0,035 мм. Исходный состав порошка в процессе приварки может изменяться в результате избирательной диффузии компонентов промежуточного слоя порошка в материал ленты-детали.

На основании анализа особенностей формирования соединений ленты-порошка-детали можно заключить, что толщина промежуточного слоя порошка оптимальна, если его количество 5пор достаточно для заполнения зазора при наличии сжимающей нагрузки. Оптимальная толщина промежуточного слоя порошка 5опт, обычно подбираемая эмпирическим путем, колеблется в диапазоне 0,015.0,03 мм. Это связано с тем, что количество порошка, заполняющего зазор, зависит от конструктивных особенностей соединяемых элементов и температурных условий процесса.

Количественное соотношение между этими величинами имеет следующий вид:

s = 100Fk

°пор C f Л опт^

C J Рпор

где С - процентное содержание металлов в пластичном состоянии; Р — площадь поверхности, занимаемая промежуточным слоем; /— площадь соединения; рп, рпор — плотность промежуточного слоя в исходном состоянии и в процессе приварки; к — коэффициент, учитывающий часть порошка, расходуемого на формирование соединения.

Поскольку оптимальное количество порошка совпадает с количеством, необходимым для заполнения им зазора, то можно записать следующие условия: при 5 дефектов; 5опт к точности подготовки поверхностей ленты и дета

опт > 5пор — вероятность образования < 5пор — ужесточаются требования

ли; 5 = 5 — оптимальное условие.

' опт пор

Зависимость (4) и последние условия нельзя использовать для определения оптимального количества порошка для промежуточного слоя, так как они содержат неизвестные величины 5опт и к. Поэтому применили модельный пересчет. Изменение функции 5пор от переменных С F,/ pпор, 5опт, к выразили в виде полного дифференциала, в который подставляли значения частных производных функций, входящих в выражение (4), и при этом принимали условия d5 = 0 и dk = 0. После замены бесконечно малых приращений конечными получили зависимость

Д8„„ =

J.

Ум

AF AC Др

--+-+ —

F C о

м ^м Км

где 5 и 5 — оптимальная толщина слоя соответственно

пн пм

натуры и модели; / , Р , С , р — конструктивные и технологические параметры модели; А5пм, А/, АР, АС, Ар — разность соответствующих величин натуры и модели.

На основании изложенного следует, что режим приварки ленты к деталям включает в себя электрические и механические параметры, оптимальное соотношение между которыми определяет качество приваренного слоя.

К электрическим параметрам относятся сила сварочного тока, усилие сжатия и продолжительность сварочного импульса. При отработке технологии приварки ленты к детали вначале подбирают правильное соотношение между усилием сжатия и силой сварочного тока в зависимости от диаметра детали, толщины привариваемой ленты. Сила тока должна быть достаточной для того, чтобы создать высокую температуру в месте контакта ленты с деталью, достаточную для сварки металла в твердой фазе (без расплавления). Кроме того, надо принять во внимание большую разницу в раз-

е

мерах детали и ленты, так как это обстоятельство существенно влияет на нагрев контактирующих поверхностей. Усилие сжатия 0,9.1,2 кН приводит ленту-порошок-деталь в тесное соприкосновение и оказывает значительное влияние на качество соединения. При соотношении сварочного давления 80.100 Н/мм2 и плотности тока 300.400 А/мм продолжительность сварочного импульса составляет 0,04.0,06 с при длительности паузы между импульсами 0,06.0,10 с. Продолжительность сварочного импульса увеличивается с увеличением толщины ленты. Более жесткий режим сварки, т. е. уменьшение сварочного импульса, не дает стабильности результатов, в этом случае может не произойти соединение по всей площади контакта ленты и детали.

К механическим параметрам относятся вращение детали, величина продольной подачи. Качественно восстановленная поверхность получается в том случае, если при вращении детали каждая последующая точка перекрывает предыдущую на 25.30 %. Чередование включения и выключения тока происходит в виде сварочных импульсов и паузы между ними. В этом случае ток между точками определяется совокупностью четырех параметров: скорость вращения детали и продольного перемещения, продолжительность сварочного импульса, давление.

При выборе толщины стальной ленты необходимо учитывать следующее: качественное соединение образуется при условии капиллярного течения порошка. Поэтому кольцо, изготовленное из дополнительного материала ленты, должно плотно прижиматься к восстанавливаемой поверхности детали и копировать ее форму. С другой стороны, усилие сжатия, приложенного к точке нагрева, ограничено и не может превышать предела пластичности материала ленты. Эти условия можно создать, используя ленту толщиной 0,5.0,6 мм. Практика показала, что наиболее приемлемыми материалами для восстановления изношенных деталей являются ленты из углеродистых сталей У7 и У8 и легированной стали 50ХФА, причем выбор последней предпочтительнее, так как работа ее в паре сопряжения лучше всего соответствуют условиям, заложенным при конструировании. Для восстановления деталей рекомендуется использовать стальную ленту толщиной 0,5.0,6 мм из стали 50ХФА ГОСТ 2283-79.

Непременное условие качественной приварки любого соединения — присутствие самофлюсующего порошкового материала, позволяющего очистить место соединения от окислов. Следовательно, свойства соединений в большей степени зависят от строения применяемого порошка.

Наибольшее распространение получили никелевые, медноцинковые, серебряные и меднонике-левые порошки. Все перечисленные порошки в ос- ВестникФГОУ

новном отвечают требованиям, предъявляемым к соответствующим покрытиям, т. е. они обладают минимальными сопротивлениями деформированию при рабочих температурах и обеспечивают высокую прочность соединения.

Применение самофлюсующихся порошковых материалов на основе никеля с пониженной температурой плавления обеспечило технологическую стабильность процесса и повысило качество восстанавливаемых деталей. При этом одновременно повысилась абразивная, коррозионная стойкость и жаростойкость.

Одним из преимуществ этих порошковых материалов является создание конгломератных смесей, образующиеся при этом композиции материалов позволяют получать промежуточный слой с заранее заданными свойствами. Возможность варьирования в довольно широких пределах припусками для тонкослойного промежуточного слоя также остается непревзойденным преимуществом порошковых материалов. Наиболее приемлемыми порошковыми материалами по технологичности процесса и надежности восстановленных деталей являются ПГ-СР2, ПГ-СР3, ПГ-СР4 и ПГ-10Н-01, ПГ-10Н-04.

Следует отметить весьма широкий ассортимент порошков, что позволяет получать соединения с различными физико-механическими свойствами.

Одним из элементов технологического процесса является температурное условие приварки, учитывающее температурные условия работы деталей, температуру плавления основных соединяемых металлов, а также температуру соединения. Анализируя эти температуры с учетом коэффициентов запаса прочности, выбрали температурный интервал приварки 850.1150 °С, и большее распространение в этом интервале получили никелевые, медно-цинковые, серебряные и медноникелевые порошки. Все перечисленные порошки отвечают в основном требованиям, предъявляемым к получаемым покрытиям сваркой и наплавкой, а именно: обеспечивают высокую прочность соединения; обладают минимальным сопротивлением деформированию при рабочих температурах.

Установлено, что зона термического влияния (ЗТВ) не превышает 0,5 мм и при нанесении второго и последующих слоев ЗТВ распространяется лишь на толщину первого слоя и не достигает основного металла. При этом удается значительно повысить предел выносливости соединения по сравнению с дуговыми способами наплавки.

Скорость охлаждения существенно влияет на структуру, а значит, и на прочность соединения. Прежде всего это отражается на формировании первичной структуры, распределении компонентов порошка по сечению шва, величине внутренних напряжений, возникающих при формировании покрытия. Кроме того, выбор скорости охлаждения определя-

МГАУ№Г20Ю - 77

ется условием получения твердости восстановленной поверхности в пределах 50.52 НЯС. Анализ изменения микроструктуры и твердости припаянной стальной ленты показал, что твердость можно варьировать, изменяя скорость охлаждения от 500 до 1500 °С/с. Это подтверждается также структурной однородностью материала детали на глубине до 1,0.1,5 мм, где микротвердость находится в пределах нового изделия.

Разработанная технология восстановления изношенных деталей электроконтактной приваркой биметаллических покрытий характеризуется высокой производительностью и низкой энергоемкостью процесса, получением соединения с незначительной

ЗТВ и сохранением первоначальных свойств металла детали при высокой прочности соединения.

Список литературы

1. Бурак, П.И. Электроконтактная приварка металлической ленты через промежуточный слой из порошкового материала / П.И. Бурак, Р.А. Латыпов // Материалы междун. научно-технич. конф. «Научные проблемы и перспективы развития ремонта, обслуживания машин и восстановления деталей». — М.: ГОСНИТИ, 2003. — С. 134-137.

2. Люшинский, А.В. Особенности диффузионной сварки через промежуточные слои / А.В. Люшинский // Тезисы докладов «Сварка — качество — конкурентоспособность». — М.: 2002. — С. 59-60.

3. Технология и оборудование контактной сварки / Под ред. Б.Д. Орлова. — М.: Машиностроение, 1986.

УДК 62-231.321.2

Б.В. Пылаев, канд. техн. наук, доцент

ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

МЕТОДИКА ПРОФИЛИРОВАНИЯ ПЛОСКИХ КУЛАЧКОВ

Технология изготовления кулачков в настоящее

время использует станки типа ЧПУ, обеспечивающие высокую точность профилирования, поэтому задача вычисления координат рабочего профиля кулачка является актуальной. Известный графический метод достаточно грубый [1], а точный математический метод определения рабочего профиля как огибающую семейства кривых в целом мало пригоден для инженерной практики [1, 2]. В статье дана методика профилирования плоских кулачков, которую можно рекомендовать при конструировании кулачковых механизмов.

На рис. 1 показаны три типа наиболее распространенных плоских кулачковых механизма: а) с роликовым коромыслом; б) с роликовым толкателем и в) с тарельчатым толкателем.

Рассмотрим кулачковый механизм с коромыслом (рис. 2). В центре О вращения кулачка 2 поместим начала неподвижной системы координат О^п и связанной с кулачком подвижной — Оху. Точка 5(^ВпВ) — центр вращения коромысла 2, длина которого Ь = ВА; г — радиус ролика 3. Центр А ролика перемещается кулачком по дуге А0А1 радиуса Ь, к — радиус-вектор теоретического профиля Пт.

Входным параметром является угол поворота кулачка ф, а выходным — угол поворота коромысла у = у(ф) — заданная функция, размах колебания коромысла — угол X = ушах. По заданной функции определим координаты С(х, у) рабочего профиля Пр кулачка, кр — радиус-вектор рабочего профиля.

2 ^ / 4 5

4 5

Рис. 1. Наиболее распространенные плоские кулачковые механизмы:

а — с роликовым коромыслом; б — с роликовым толкателем; в — с тарельчатым толкателем; 1 — кулачок (входное звено); 2 — коромысло или толкатель (выходное звено); 3 — ролик (а, б) или тарелка (в); 4 — стойка (корпус); 5 — пружина

5