Выбор рационального метода восстановления изношенных поверхностей деталей

Ключевые слова: Восстановление деталей, коэффициенты износостойкости, усталости, адгезии, долговечности, себестоимость, удельные затраты.

В процессе эксплуатации машин детали узлов и агрегатов изнашиваются. Как показывают результаты исследования более 65% деталей имеют износ до 0,15 мм, 30% от 0,15 до 0,5 мм и только 5% — более 0,5 мм. [1]

Для устранения одних и тех же дефектов деталей существует десятки различных методов нанесения покрытия. Так для восстановления уплотнительных узлов тракторов и сельскохозяйственных машин, применяют 22 метода, шлицевых соединений — 15, деталей неподвижных соединений — 37; деталей, работающих в условиях трения — 41, коленчатых валов — 8, опорных катков гусеничных тракторов — 12. Такое положение дел можно объяснить отсутствием или не выполнением предварительных испытаний предлагаемых способов восстановления по единой методике.

В настоящей статье ставится задача определить последовательность испытаний и выбрать необходимые показатели для сравнительной оценки методов восстановления изношенных поверхностей деталей.

Проблеме обоснования способов восстановления посвящено большое количество работ и рекомендаций [1, 2, 3, 4] однако отсутствие единой общепринятой методики приводит к принятию в ряде случаев субъективных решений.

Учитывая вышеизложенное, предлагается для разработчиков технологий восстановления деталей следующий порядок по выбору и определению рационального метода восстановления изношенных поверхностей.

1. На первом этапе необходимо получить информацию о восстанавливаемой детали:

Наименование и номер по каталогу завода изготовителя машины, применяемый материал, поверхностная твердость, шероховатость рабочих поверхностей, виды и коэффициенты повторяемости дефектов по каждой поверхности.

После получения необходимых технических данных делается логическая оценка способов восстановления с точки зрения показателя назначения: геометрических размеров, параметров поверхностного слоя, механических и физико-механических свойств, структуры материала химических и физико-механических характеристик восстановленных поверхностей.

2. Отобранные способы восстановления должны быть оценены по результатам сравнительных стендовых испытаний. В зависимости от условий работы сопряженной изношенной детали необходимо определить износостойкость, усталостную прочность, адгезионную прочность нанесенных покрытий.

Данные механические характеристики определяются на испытательных машинах с использованием существующих гостированных методик.

Для испытаний подготавливаются образцы из материала, из которого изготавливаются новая деталь. Проводятся испытания новых деталей с заданной повторностью и получают необходимые усредненные показатели по механическим характеристикам. Для получения данных по методам восстановления на новые образцы наносят восстановительные слой необходимой толщены, проводят требуемую механическую и термическую обработку. Проводят испытания подготовленных образцов и получают усредненные показатели механических характеристик восстановленных поверхностей. Отклонение механических характеристик восстановленных поверхностей к механическим характеристикам нового образца определяет коэффициенты износостойкости, усталостной прочности, адгезионной прочности.

3. Определение коэффициента износостойкости.

Механические характеристики должны быть определены на образцах в зависимости от характера работы восстанавливаемой поверхности. Так для деталей, работающих в абразивной среде (лемех, лапа, диски и др.) необходимо подготавливать плоские образцы и проводить испытания на износостойкость на машинах трения с подачей абразива типа ИМ-01

Для деталей типа вал, работающих в масленой среде необходимо подготавливать детали в виде диска и контактируемой детали в виде колодки. Исследование проводят на машинах трения типа СМТ-1 и ИИ-5018 при вращении или машинах с возвратно-поступательным движением образца.

Коэффициент износостойкости определяется по формуле

,

где И_св, И_сн— средняя износостойкость каждой поверхности восстановленной и новой поверхности.

4. Определение коэффициента выносливости.

Важным показателем для деталей испытывающие знакопеременные нагрузки является предел выносливости, определяющий сопротивление усталостной прочности. Данный показатель определяется как правило на цилиндрических деталях при их испытании на усталостных машинах типа МУИ-6000 или УК-10 м. В зависимости от действующих эксплуатационных нагрузок на деталь выбирают схему нагружения, или симметричный изгиб, или консольный изгиб или кручение.

При испытании на усталостную прочность целесообразно использовать с целью уменьшения времени испытания ускоренные методы испытаний такие как метод ЛОКАТИ. Данный метод опробован при испытании натурных образцов на примере коленчатых валов и получены достаточно точные результаты ускоренных испытаний.

Коэффициент выносливости определяется по формуле

,

где σ-1в, σ-1н среднее значение придела выносливости каждой восстановленной и новой поверхности соответственно.

5. Определение коэффициента прочности сцепления покрытий.

Для газотермических, полимерных и гальванических методов нанесения покрытия важным показателем является прочность сцепления покрытий с основной детали (адгезия) и прочность нанесенных слоев между собой (когезия). Данные характеристики определяют способами на «отрыв» и на «сдвиг» с использованием «штифтового» метода. Сущность штифтового метода состоит в отрыве штифта, включенного в матрицу, на которую нанесено покрытие на разрывных машинах. Подробно методика испытания на адгезионную прочность изложена в работе профессора Михальченкова А.Н. [6]

Коэффициент прочности сцепления определяется по формуле

,

где q_в — среднее значение прочности сцепления покрытия каждой поверхности восстановленной детали по результатам испытания

q_э - эталон значения прочности сцепления.

В качестве эталонных значений рекомендуется в зависимости от условий работы поверхности детали при эксплуатации принимать следующие значения:

— для наружных стальных поверхностей воспринимающие знакопеременные нагрузки — 500 МПа;

— для наружных стальных или чугунных поверхностей, не воспринимающих знакопеременные нагрузки — 200 МПа;

— для внутренних посадочных поверхностей под подшипники, не воспринимающие знакопеременные нагрузки — 50 МПа;

— для наружных или внутренних стальных и чугунных поверхностей не воспринимающих значительные знакопеременные нагрузки работающих в условиях обильной смазки. — 40 МПа.

Анализ литературных источников, результатов научно-исследовательских работ по различным методам восстановления изношенных поверхностей позволил получить примерные значения коэффициентов [5]

Таблица 1. Примерные значения коэффициентов износостойкости, выносливости, сцепляемости

После определения механических характеристик по каждому рассматриваемому методу для каждой поверхности определяют коэффициент долговечности по следующей формуле:

Кq = К_u х К_у х K_сц

Из рассматриваемых методов выбирают тот метод, численное значение коэффициента долговечности которого имеет самое большее определение.

6. Технико-экономический критерий.

После выбора метода восстановления по критерию долговечности необходимо для рассматриваемого метода определить технико-экономический критерий. Он может определятся по следующему уравнению:

,

где Кэ — технико-экономический критерий;

Свi — себестоимость на восстановление i поверхности рассматриваемым методом;

Кq — коэффициент долговечности восстанавливаемой поверхности.

Одним из основных экономических показателей, который характеризует совершенство технологического процесса, является себестоимость восстановления.

В общем виде себестоимость восстановления (руб.) деталей на конкретном предприятии определяют по формуле:

С_в = С_из + З_пл + С_об + Н_u + Н_з+ С_бр + С_м,

где С_из и С_м — стоимости соответственно изношенной детали и материалов;

З_пл — заработная плата; С_об — расходы на содержание и эксплуатацию оборудования; Н_u и Н_з — расходы соответственно цеховые (общепроизводственные) общезаводские (общехозяйственные); С_бр — потеря от брака.

При укрупненных расчетах себестоимости для определения экономической целесообразности восстановления можно пользоваться следующим выражением:

,

где d — число восстанавливаемых поверхностей деталей; С_уд — удельная себестоимость восстановления единицы площади (длины, например для трещин) i — поверхности принятым способом, руб/дм² (руб/дм); S_i — площадь (длина) i — поверхности, дм² (дм); K_пд i — коэффициент повторяемости дефекта i — поверхности; D_п — коэффициент, учитывающий затраты на подготовительные работы при восстановлении деталей (при восстановлении деталей для собственных нужд D_п = 1,03, при централизованном восстановлении D_п = 1,1); Ц_н — цена новой детали, руб.

Приведенные этапы работы по выбору рационального метода позволяют получить объективные данные по эффективности восстановления изношенных поверхностей деталей.

Лялякин В. П., вед. науч. сотр.
ФГБНУ ГОСНИТИ, д. т. н., профессор.

Литература.

1. Какуевицкий В. А. Восстановление деталей автомобилей на специализированных предприятиях. — М. : Транспорт, 1982. — 147с.
2. Черноиванов В.И., Лялякин В. П. Организация и технология восстановления деталей машин. — М. 2003. — 488с.
3. Методика технико-экономического обоснования способов восстановления деталей машин.- М.: ГОСНИТИ, 1988. — 30с.
4. Шадричев В. А. Основы выбора рационального способа восстановления автомобильных деталей металлопокрытиями. — М. — Ленинград: Машгиз, — 1963. — 295с.
5. Технология ремонта машин / под редакцией проф. Е. А. Пучина. — М.: «Колос», 2007. — 487с.
6. Михальченков А.М., Бирюлина Я.Ю., Фамин Ю.И., Ермакова Т. А. Критическое рассмотрение методик испытаний на адгезионную прочность покрытий способом отрыва. // Труды ГОСНИТИ, т.121,2015, С 260–265.