VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Актуальность представленной темы очевидна работа машин и механизмов невозможна без использования подшипниковых опор, количество которых в механизмах велико. По разным источникам имеется свыше 2000 разновидностей узлов трения, вкладышей, втулок и других деталей, используемых в транспортных, строительных, горных, сельхозяйственных машинах, а также в металлургическом, горнодобывающем комплексах, кузнечно-прессовом и литейном оборудовании, а также в производстве экскаваторов, автомобилей, тепловозов всех типов, электровозов, железнодорожных вагонов и другой техники. В России промышленность продемонстрировала умеренные темпы роста по сравнению с 2011 годом. Продажи новых легковых автомобилей увеличились на 11%, а новых грузовых автомобилей — на 5% по сравнению с показателями 2011 года. Производство легковых автомобилей выросло на 13%, а грузовых — увеличилось на 5% относительно уровня 2011 года. Автомобильная промышленность России по-прежнему имеет высокий потенциал развития, что обусловлено низкой степенью обеспеченности населения автомобилями и устаревшим автопарком. Кроме того, росту отечественного автопрома способствует государственная политика, направленная на стимулирование создания нового и увеличение существующего производства, а также на привлечение дополнительных инвестиций в отрасль.

Долговечность машин и механизмов во многом определяется износостойкостью применяемых в их конструкции подшипниковых узлов. Недостаточная износостойкость подшипниковых узлов трения вызывает отказы, которые возникают при наработках, составляющих от 30 до 60% от общей наработки до предельно состояния машины или механизма в целом. При этом эксплуатационные затраты на техническое обслуживание и ремонт подшипниковых узлов в 2-3 раза превышают затраты на их производство и изготовление.

Изнашивание подшипниковых узлов сопровождается изменением линейных размеров всех, составляющих их конструкцию трущихся деталей.

Особенностью работы подшипниковых узлов трения является воздействие:

рабочих давлений, температур, изменяющихся скоростей относительного скольжения или качения, агрессивности окружающей среды, что приводит к возникновению определенного вида изнашивания (усталостное, абразивное, гидроабразивное, коррозионно-абразивное и др.) и как следствие – к снижению работоспособности и уменьшению долговечности подшипникового узла в целом.

Износостойкость подшипниковых узлов трения, во многом определяется качеством применяемого смазочного материала, параметрами контактирующих поверхностей деталей (отклонение формы, волнистости, шероховатости), и физико-механическими свойствами поверхностного слоя, которые формируются при производстве и изменяются при эксплуатации.

В связи с этим, возникает необходимость в совершенствовании применения методов повышающих износостойкость подшипниковых узлов трения машин и механизмов. Улучшение эксплуатационных показателей применяемых смазочных материалов, качества поверхностей и поверхностных слоев трущихся деталей подшипниковых узлов в настоящее время сдерживается отсутствием системного подхода к выбору методов повышения износостойкости [1].

Другим путем пошли разработчики новых конструкторских материало в ООО НПП «Полидор» в Челябинске [2]. Первая из компаний группы создавалась с целью внедрения в различные промышленные изделия новых конструкционных материалов - полимерных композитов, ранее использовавшихся только в изделиях военно-промышленного комплекса. Сейчас радиальные и упорные антифрикционные подшипники скольжения из ПКМ с различными структурными параметрами, определяемыми условиями эксплуатации, являются основной продукцией намоточного направления группы компаний «Полидор».

При проектировании композиционных подшипников используются методики расчётно-теоретических оценок, лабораторных и натурных испытаний, принятые в Государственном ракетном центре «КБ им. академика В.П.Макеева». Подшипники изготавливаются с использованием конверсионных технологий.

Антифрикционные подшипники производства группы «Полидор» имеют очень низкий коэффициент трения и могут работать в условиях сухого трения. Они работают в тяжелонагруженных узлах трения в абразивных и агрессивных средах, воде и масле в диапазоне температур от -50 до +100°С. При этом удельное давление на подшипники может достигать 150 МПа.

Использование композиционных подшипников позволяет существенно снизить стоимость узла трения за счёт отказа от дорогостоящих цветных металлов и сплавов на их основе. Кроме того, значительно повышается надёжность узла трения и увеличивается срок его эксплуатации благодаря снижению интенсивности изнашивания.

Подшипниками скольжения из ПКМ комплектуются узлы трения основных агрегатов и механизмов дорожно-строительной техники производства ЗАО «ЧСДМ» (завод дорожных машин им. Колющенко): автогрейдеры тяжёлого класса ДЗ-98В, ДЗ-140А; автогрейдер среднего класса А-120; колёсный погрузчик тяжёлого класса ТО-40; бульдозеры на базе трактора Т-170.

Другими крупнейшими потребителями подшипников производства группы компаний «Полидор» являются следующие предприятия:

• ЗАО ТД «Урал-Авто» (ЧМЗАП) (г. Челябинск) - втулки осей балансиров, цилиндрические и сферические подшипники скольжения узла поворотного кулака;

• ОАО «Завод Трансмаш» (г. Тихвин Ленинградской области) - радиальные и осевые подшипники скольжения задних мостов автогрейдеров среднего класса ДЗ-180 и А-120;

• ОАО «Брянский арсенал» (г. Брянск) - радиальные и осевые подшипники скольжения узлов трения задней подвески автогрейдеров и осей балансиров полуприцепов и асфальтоукладчиков;

• ОАО «Брянский завод колёсных тягачей» (г. Брянск) - втулки осей балансиров подвески приводных колёс";

• экскаваторно-вагоноремонтный завод (г. Коркино Челябинской области) - радиально-опорные подшипники скольжения ходовой части и поворотного круга карьерных экскаваторов ЭКГ-5А;

• ФГУП «Завод №9» (г. Екатеринбург) - втулки осей тормозных колодок и заднего моста троллейбуса;

• ОАО «Завод автобетоновозов» (г. Туймазы, республика Башкортостан) - осевые и радиальные подшипники скольжения опорно-поворотных устройств пожарных пеноподъёмников и автобетононасосов.

Нами разработан способ производства композито-абразивного сплава (КАС) для использования в производстве подшипников, втулок, вкладышей и других деталей, работающих в узлах трения при высоких нагрузках и высоких температурах не требующих смазочных материалов.

Актуальность проекта для молодежи выражена в стимулировании инновационной активности молодежи, в том числе, научно-технического творчества студентов, без чего невозможно формирование нового поколения глобально конкурентоспособных кадров в сфере науки и инновационного предпринимательства.

Разработка относится к области машиностроения, в частности, к производству деталей цилиндрической и конической формы, различной конфигурации наплавляемого слоя (рис. 1), которые можно использовать в качестве подшипников скольжения и качения, сохраняя при этом преимущества подшипников качения и устраняя их недостатки, то есть смазка при эксплуатации подшипников качения не требуется, путем нанесения износостойкого композитно-абразивного сплава (КАС) на трущиеся поверхности с применением стандартного оборудования относительно недорогих доступных материалов, используя безопасные приемы труда.

Рис. 1 Конфигурации износостойкого КАС

Известны различные способы повышения износостойкости трущихся поверхностей путем нанесения наплавкой КАС [3, 4, 5].

Однако к недостаткам способов относится следующие факторы: сложная технология с применением специального оборудования, использование дорогостоящих материалов, таких как «релит» (карбиды вольфрама W3C + WC и мельхиор), оловянистые бронзы и др. Кроме того, материалы, из которых производят подшипники, также дорогостоящи, а само производство подшипников трудоемко.

Известен и наиболее близок к представленному способ получения КАС [6], в котором используется автовакуумный эффект. По этому способу в герметичном металлическом контейнере при высокотемпературном нагреве протекают процессы очистки металла от окисных пленок и поглощения газов, в результате чего давление снижается до 1 мм рт. cт [7,8,9,10] и происходит капиллярный подъем жидкого сплава – связки между зернами наполнителя в наплавочную полость.

Далее, наплавку КАС выполняли в двух режимах по форсированному и типовому. При наплавке по форсированному режиму образцы устанавливают в ванну с предварительно расплавленным сплавом – связкой, далее в печь, нагретую до 1150-1200 град. С, выдерживают 3,5 час, после чего охлаждают на воздухе. Общее время цикла наплавки составляет 6 час. При наплавке по типовому режиму технология следующая: образцы устанавливают в печь при температуре 300 град. С, при 700 – 750 град. С делают одночасовую, а при 1150 – 1200 град. С – двухчасовую выдержки; охлаждают до 450 град. С в печи, далее на воздухе. Общее время цикла наплавки по типовому режиму составляет 50 час. [11].

Очевидно, что вышеуказанный способ получения КАС трудоемок, сложен, небезопасен, требует применения дорогостоящих материалов.

Целью создания способа является получение высококачественного износостойкого КАС с низкими трудовыми и финансовыми затратами, с использованием стандартного оборудования и безопасных приемов труда.

Поставленная цель может быть достигнута способом, который представляет собой следующую технологию (рис.2):

Рис. 2. Изготовление технологической оснастки для воспроизводства способа получения КАС

1. В соответствии с необходимыми размерами деталей подбираем две трубы 1 и 2 марок, из которых труба 1 является заготовкой, а труба 2 – формообразующей КАС деталью с приваренной крышкой 3.

2. На внутреннюю (рабочую) поверхность для исключения возможного отслоения нарезают канавки треугольного профиля глубиной и шагом 2-3 мм. Получению монолитного соединения КАС и материала заготовки способствует эта дополнительная мера путем образования на атомном уровне связей, появившихся в результате сближения контактных поверхностей за счет повышенной температуры, которая расплавила связку, и тем самым, обеспечила взаимную диффузию в приповерхностных слоях соединяемых материалов. На основании 4 с выступом 5 равным толщине КАС устанавливаем строго перпендикулярно к основанию трубы. Основание имеет технологическое отверстие для удобства выполнения сварочного шва.

3. В зазор между трубами последовательно размещаем вертикальными слоями дробь (упрочнитель) марки ДСЛ или ДСЛУ номер дроби 5 мм или 8 мм ГОСТ 11964 – 81 предварительно обезжиренная спиртом и путем постукивания по поверхности заготовки уплотняем.

4. На внутреннюю крышку 6 укладываем в твердом состоянии в необходимом количестве металл – связку, состоящую из безоловянистой бронзы (ГОСТ 18175 – 78) с содержанием алюминия до 10 % это дает дополнительную плотность наплавляемому слою КАС.

5. Конструкция оснастки закрывается крышкой 7 с отверстием 8 для отвода газов.

6. Для предупреждения от высыпания дроби приваривают проволоку (сварочный шов №1) с зазором по диаметру.

7. Детали соединяются сварными швами ручной дуговой сваркой или полуавтоматической в среде углекислого газа (сварные швы №2, №3, №4, №5).

8. Далее вся конструкция технологической оснастки устанавливается в печь; температура доводится до 1050 град. С; выдерживается в течение 22 час; затем остывает с печью до комнатной температуры.

9. Удаляется оснастка.

10. Полученная заготовка разрезается на цилиндры; затем их подвергают чистовой обработке механическим путем до необходимых размеров детали.

Сопоставимый анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявленный способ отличается от известного [6] тем, что перед выполнением наплавки по заявляемому способу на поверхность наносятся канавки треугольного профиля размером 2-3 мм, кроме этого приемы труда выполняются при комнатной температуре. Таким образом, техническое решение соответствует критерию «новизна».

Анализ предлагаемого способа показал, что заявленный способ отличается от известного [6] тем, что сплав – связка наносится на наплавляемую поверхность и материал – упрочнитель (дробь) в твердом состоянии и сверху конструкции оснастки, при этом затекание связки происходит более технологично и надежно под силой тяжести; процесс безопасен так как выполняется в автономном режиме, а установка в печь выполняется при комнатной температуре, а нагрев происходит от комнатной температуры до максимальной при закрытой печи, порошковый компонент заменен на компонент в виде дроби, что улучшает экологию.

Применение в качестве упрочнителя дроби с высокими показателями твердости (до 830 HV ГОСТ 11964 – 81) и связки (безоловянистой дроби с содержанием алюминия до 10 %) дает ощутимый эффект: стоимость способа низкая, высокое качество износостойкого слоя, безопасные условия труда.

Таким образом, представленное техническое решение соответствует критерию «существенные отличия».

В лабораторных условиях была опробована технология с использованием разных материалов (табл. 1) и разных режимов наплавки (табл. 2).

Опробование показало, что наилучшим и экономичным режимом является режим 2 с поправкой на уменьшение верхней границы времени выдержки до 22 час, так как 26 часов. является излишним; наилучшими материалами являются следующие: трубы из стали марки 20 и 25; материал – связка безоловянистые бронзы с алюминием до 10%; материал – упрочнитель дробь ДСЛ, ДСЛУ 05 и ДСЛ, ДСЛУ 08 с диапазоном твердости 545-830 HV. Кроме лабораторных испытаний, предложенный способ прошел промышленные испытания. Было изготовлено 80 изделий разной конфигурации наплавляемого слоя (рис. 1) с установкой на реально действующее оборудование на медном комбинате г. Ревды Свердловской области с установкой на разливочном ковше. Независимая экспертиза установила следующие показатели испытания опытных образцов подшипников: ковш отработал 2,4 срока; коэффициент трения на 24 % меньше, чем при использовании оловянистых бронз, которые имеют высокие антифрикционные свойства; интенсивность изнашивания уменьшается в 16 раз; удельная нагрузка до заедания (задира) составляет 325 кг/ кв см.; при этом смазка не применялась. Испытания проводили в сравнение с показателями работы подшипников, соответствующих ГОСТ.

Применение предлагаемого технического решения дает ощутимый экономический эффект за счет снижения стоимости материалов, трудоемкости изготовления деталей, увеличения срока эксплуатации деталей, при безопасных условиях труда и сохранении экологии.

Мультипликативность проекта заключается в том, что инвестиции в предлагаемый проект по созданию Композитно-абразивного сплава, способствуют к нарастающему эффекту в виде получения дохода от реализации изделий с повышенными техническими характеристиками, причем на величину большую, чем первоначально вложенные денежные средства.

Помимо первичного эффекта, должно возникнуть явление вторичного, третичного и т.д. эффектов в виде развития производства и занятости в сферах производства транспортных, строительных, горных, сельхозяйственных машин, а также в металлургическом, горнодобывающем комплекса, кузнечно-прессового и литейного оборудования, экскаваторов, автомобилей, тепловозов всех типов, электровозов, железнодорожных вагонов и другой техники.

Мультипликатор показывает превышение роста дохода над ростом инвестиций. В предлагаемом проекте, вложение допустим 300 тыс. руб. и имеется увеличение производительности труда примерно в 5 раз, снижение себестоимости производства деталей за счет низкой цены компонентов КАС, а также увеличения срока использования изделий также примерно в 5 раз получим мультипликатор равный 25, то есть первичный мультипликативный эффект составит 7500 тыс. руб.

Таблица 1

Свойства материалов, использованных при выполнении представленного способа износостойкой наплавки КАС

Используемые материалы	Марка материала	Химический состав	Свойства материала
Связующий материал (связка)	БрОЦС4-4-4 ГОСТ 613-79	Sn=4%,Zn=4%.Pb=4%,Cu - остальное	Обладает большой микропористостью
	БрАЖ9-4 ГОСТ18175-78	Al=8-10%, Fe=2-4%, Сu - остальное	Обладает высокими механическими свойствами, высокой коррозионной стойкостью при работах в морской воде и тропической атмосфере, обладает высокой плотностью наплавки
	БрАЖM10-3-1,5 ГОСТ18175-78	Al=9-11%, Fe=2-4%, Mn=1-2%, Сu - остальное
	БрАЖ9-4 ГОСТ18175-78	Al=8,8-10%, Fe=4-5%, Mn=1-2%, Ni=4-5%, Сu - остальное
Материал – упрочнитель	Дробь ДСЛ 05 и 08 ГОСТ 11964-81	В химическом составе проволоки стальной углеродистой пружинной ГОСТ 9389-75 марки КТ-2 содержится углерода С=0,86-0,91%	Обладает двумя диапазонами твердости: 365-545 HV и 545-830 HV. Указанный диапазон диметра дроби является оптимальным.
	Дробь ДСЛ 05 и 08 ГОСТ 11964-81
Материал трубы (заготовки) и трубы, формирующей КАС	Низкоуглеродистая сталь 20,25 ГОСТ 1050-74	C=0,25%, S до 0,042%, Р до 0,04%	Обладает более низкими прочностными и пластическими свойствами, чем низкоуглеродистая сталь, но обладает хорошей соединительной способностью
	Среднеуглеродистая сталь 30,35,40 ГОСТ 1050-74	C до 0,27-0,4%, Mn=0,5-0,8, Si=0,17-0,37, Cr до 0,25, Ni до 0,25	Обладает высокими прочностными и пластическими свойствами, но возможно появление пор и трещин.

Таблица 2 – Изменения положительного эффекта в зависимости от режимов наплавки

Режимы наплавки	Температура нагрева, град. С	Время выдержки, час	Качественные характеристики наплавки
1	1000 – 1050	22	не всегда получается качественный однородный сплав
		26	соединение не достаточно однородное
2	1050 – 1100	22	получаем плотное качественное соединение
		26	получаем плотное качественное соединение
3	1100 – 1200	22	происходит выгорание легирующих компонентов связки
		26	происходит значительное выгорание легирующих компонентов связки

Таким образом, представленный проект, повышения износостойкости подшипников, втулок, вкладышей и др., по сравнению с существующими способами,обладает новизной, существенными отличиями, улучшенными характеристиками, воспроизводимым, является перспективным.

Источники информации:

1. ШЕЦ С. П. Повышение износостойкости подшипниковых узлов трения машин и механизмов: Автореферат дис. докт. техн. наук. - Брянск – 2011 – с.3

2. http://www.polidor.ru/product/price.doc (32.12.2013)

3. Реферат № 2173417 (Федеральный институт промышленной собственности)

4. Реферат № 2003112086 (Федеральный институт промышленной собственности)

5. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение; Учебник для высших учебных заведений. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с. С. 347.

6. Авторское свидетельство СССР, № 531681, Кл. В 23 К 9/04, В 23 Д 19/08.

7. Медовар Б.И. Сварка жаропрочных аустенитных сталей и сплавов. М., «Машиностроение», 1966.

8. Патон Б.Е. и др. О растворении газов воздуха и твердом металле в процессе самопроизвольной очистки его поверхности. «ДАН СССР», т. 181, 1968, № 1.

9. Гельман А.С. и Барышев М.С. О взаимодействии стали с газами в условиях автовакуумного нагрева // Сварочное производство, 1970, № 5.

10. Патон Б.Е. и др. Самопроизвольная очистка металлов от окисных пленок. «ДАН СССР», т. 159, М.: «Наука», 1964, № 1.

11. Кудинов В.Д., Филимонов Б.В. и др. Наплавка композиционных сплавов (релит + марганцевый мельхиор) с использованием автовакуумного эффекта // Сварочное производство, 1977, №8, С. 21-23.

Код для цитирования: Скопировать