Повышение эксплуатационных свойств радиальных пар трения из высокопрочного чугуна на основе лазерной обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Тихвинская, Анастасия Юрьевна

• Тихвинская, Анастасия Юрьевна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тихвинская, Анастасия Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА (ЭС) ДЕТАЛЕЙ МАШИН

1.1. Влияние физико-механического состояния поверхностного слоя на ЭС деталей машин.

1.2. Характеристики условий эксплуатации электрических центробежных насосов (ЭЦН). Причины выхода из строя.

1.3. Способы повышения ЭС ЭЦН на основе поверхностной обработки.

1.4. Современные методы упрочнения концентрированными потоками энергии (КПЭ).

1.4.1. Общие вопросы обработки КПЭ.

1.4.2. Особенности лазерного упрочнения (ЛУ) деталей машин.

1.4.3. Анализ технологического оборудования для ЛУ

1.5. Цели и задачи исследования.

1.6. ВЫВОДЫ

ГЛАВА 2. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ

МАТЕРИАЛА ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ

2.1. Тепловые процессы в материалах при ЛУ.

2.2. Методы решения задач теплопроводности при ЛУ.

2.3. Моделирование зависимости теплофизических характеристик от температуры.

2.4. Постановка и решение задачи теплопроводности.

2.5. Температурные поля от движущегося теплового источника большой мощности.

2.6. ВЫВОДЫ

3 ГЛАВА 3. МЕТОДЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Технологический комплекс для ЛУ.

3.2. Металлографический и электронно-микроскопический анализ структуры поверхностного слоя после ЛУ.

3.3. Исследование физико-механических свойств упрочнённого слоя методом микротвёрдости.

3.4. Влияние ЛУ на износостойкость чугуна при граничном трении.

3.4.1. Оборудование и лабораторные образцы.

3.4.2. Методика проведения эксперимента.

3.4.3. Статистическая обработка экспериментальных данных

3.5. ВЫВОДЫ

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ЛУ НА ЭС ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

ДЕТАЛЕЙ МАШИН

4.1. Влияние режимов ЛУ на закономерности изменения структуры и микротвёрдости по толщине поверхностного слоя высокопрочного чугуна.

4.2. Влияние режимов ЛУ на износостойкость поверхностного слоя высокопрочного чугуна.

4.3. Рекомендации по выбору режимов ЛУ для обработки радиальных пар трения.

4.4. Технико-экономические критерии внедрения лазерных технологий.

4.5. ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эксплуатационных свойств радиальных пар трения из высокопрочного чугуна на основе лазерной обработки»

В связи с интенсивным ростом потребления нефтепродуктов, на сегодняшний день особое внимание уделяется условиям добычи нефти и эксплуатации скважин. Согласно статистике 52,8% добычи нефти на территории Российской Федерации осуществляется при помощи электроцентробежных насосов (ЭЦН). Кроме того, в последнее время растёт доля находящихся в разработке сложно-построенных нефтяных залежей. Эксплуатация скважин в таких условиях сопровождается многочисленными трудностями. Повышение ресурса работы ЭЦН в условиях современной технологии механизированной добычи нефти является актуальной проблемой.

Как показывают исследования, основной причиной преждевременного выхода ЭЦН из строя при эксплуатации их в неагрессивных нефтепромысловых средах является абразивный износ колёс и направляющих аппаратов. Согласно статистике отказов, в конструкции насоса наиболее подвержена абразивному износу радиальная пара трения направляющего аппарата. Таким образом, повышение эксплуатационных свойств радиальных пар трения ЭЦН является актуальной проблемой.

Важная роль в обеспечении эксплуатационных свойств узлов трения машин и механизмов принадлежит комплексным исследованиям, связанным с разработкой и применением в производстве новых технологий механической и физико-технической обработки. Новые технологии обработки позволяют целенаправленно формировать поверхностные слои с заданными физико-химическими, механическими и триботехническими характеристиками.

При этом, для формирования требуемых эксплуатационных свойств материала применяются как традиционные методы обработки, так и современные методы воздействия на поверхность концентрированными потоками энергии. Преимущества применения концентрированных потоков энергии послужили основой для интенсивного развития исследований, посвященных вопросам лазерной обработки. Однако, несмотря на многочисленные теоретические и экспериментальные исследования процессов, протекающих в поверхностных слоях при лазерной обработке материалов, которые имеются на настоящее время, накопленного опыта не всегда достаточно. До настоящего времени не полностью раскрыты условия формирования поверхностных слоев с заданными характеристиками при лазерном упрочнении (ЛУ) пар трения из высокопрочного чугуна. В частности, нет чётких взаимосвязей, позволяющих управлять режимами ЛУ для получения требуемых характеристик поверхностного слоя, подвергнутого обработке.

Эффективное применение лазерной обработки для этих целей невозможно без изучения особенностей лазерного воздействия на высокопрочный чугун, оценки свойств поверхностных слоёв, исследования факторов, определяющих сопротивляемость изнашиванию. Поэтому создание новых научно-обоснованных методов ЛУ пар трения из высокопрочного чугуна и целенаправленное формирование их эксплуатационных свойств является актуальной проблемой.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Тихвинская, Анастасия Юрьевна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Проведён анализ факторов, определяющих эксплуатационные свойства радиальных пар трения из высокопрочного чугуна (на примере деталей ЭЦН). Показано, что основными из указанных факторов являются фазовый и структурный состав поверхностного слоя и его микротвёрдость.

2. Проведены расчёты и получены картины распределения температурного поля в объёме материала при ДО высокопрочного чугуна на основе трехмерного уравнения теплопроводности с коэффициентами, зависящими от температуры (нелинейная постановка задачи). На основе анализа температурных полей в зоне лазерного воздействия определены: уровень достигаемых по глубине температур; возможность переохлаждения аустенита без распада до температур мартенситного превращения и проведения закалки.

3. Проведены исследования износостойкости радиальных пар трения из высокопрочного чугуна, упрочнённых JIO с различными режимами. Установлено, что лазерное7 упрочнение приводит к повышению износостойкости чугунных образцов на 20. .35 %.

4. Установлена взаимосвязь между характеристиками поверхностного слоя высокопрочного чугуна и режимами JIO. На основе анализа полученных данных были разработаны комбинированные диаграммы зависимости глубины упрочнения h и микротвёрдости Ни от скорости движения v и мощности излучения Р при фиксированном диаметре луча d.

5. Разработана методика назначения режимов JIO для управления характеристиками поверхностного слоя (h, Нт) с целью получения заданных эксплуатационных свойств изделия.

6. Разработана технология лазерного упрочнения радиальных пар трения центробежных насосов для добычи нефти, которая внедрена и успешно используется в ЗАО «Техническая керамика» г. Волжский, Волгоградская обл.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тихвинская, Анастасия Юрьевна, 2009 год

1. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. - 320 с.

2. Одинг И.А. Вопросы технологии машиностроения в проблеме прочности // Вестник машиностроения. 1943. № 11-12. - С. 6-16.

3. Серенсен С.В. Качество поверхности стальных изделий и их сопротивление усталости. М.: Издательство АН СССР, 1950. - 231 с.

4. Бабей Ю.И. Физические основы импульсного упрочнения стали и чугуна. Киев: Наукова думка, 1972. - С.63-83.

5. Иванова B.C., Терентьева В.Ф., Пойда В.Г. Особенности поведения поверхностного слоя металлов при различных условиях нагружения. Металлофизика. Киев: Наукова думка, 1972. — С. 63-83.

6. Хворостухин Л.А., Шишкин С.В., Ковалёв А.П., Ишмаков Р.А. Повышение несущей способности деталей машин поверхностным упрочнением. М.: Машиностроение, 1988. - 142 с.

7. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин. М.: Высшая школа, 1991. - 319 с.

8. Мур Д. Основы применения трибоники. М.: Мир, 1987. - 487 с.

9. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Фёдоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. - 176 с.

10. Сулима A.M., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. -240 с.

11. Гусенков А.П. Методы и средства упрочнения поверхностей деталей машин. -М.: Наука, 1992. 405 с.

12. Крагельский И.В. Трение и износ. — М.: Машиностроение, 1968. —480 с.

13. Костецкпй Б.И. Поверхностная прочность материалов при трении. -Киев.: Наукова думка, 1976. 678 с.

14. Пинегин С.В. Контактная прочность в машинах. М.: Машиностроение, 1965. - 192 с.

15. Ткачёв В.Н. Износ и повышение долговечности деталей машин. — М.: Машиностроение, 1971. 264 с.

16. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей машин поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1980. - 372 с.

17. Агеев В.И. Адсорбционно-десорбционные процессы на поверхности твёрдого тела // Поверхность, 1984. № 3. - С. 5-26.

18. Иванова B.C., Терентьева В.Ф., Пойда В.Г. Особенности поведения поверхностного слоя металла при различных условиях нагружения. Металлофизика, Киев: Наукова думка, № 3, 1972. — С. 63-83.

19. Рид В.Т. Дислокации в кристаллах. М.: Металлургиздат, 1957.257 с.

20. Лихтман В.И., Щукин Е.Д., Ребиндер П.А. Физико-химическая механика металлов. Адсорбционные явления в процессах деформации и разрушения металлов. М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 303 с.

21. Камбалов B.C. Оценка триботехнических свойств контактирующих поверхностей. М.: Наука, 1983. - 136 с.

22. Иванова B.C., Гуревич С.Е., Коньев И.М. и др. Усталость иiхрупкость металлических материалов. М.: Наука, 1968. - 215 с.

23. Крагельский И.В., Колесниченко Н.Ф. Качество поверхности и трение в машинах. Киев: Техника, 1969. - 145 с.

24. Статистика по способам эксплуатации ЭЦН.

25. Анализ аварийных отказов, обусловленных конструкциями скважины и установок погружных центробежных насосов / Пономарев Р.Н., Ишмурзин А.А. / Уфимский государственный нефтяной технический университет / «Нефтегазовое дело», 2006, www.ogbus.ru

26. Смирнов Н.И., Прожега М.В., Смирнов Н.Н. / Исследование трибологических свойств детонационных наноструктурированных покрытий на основе WC-Co / Трение и износ, том 28, №2, 2007 г., стр. 195-199.

27. Дроздов Ю.Н. Структура метода расчета на износ, Журнал "Вестник машиностроения", №01, 2003.

28. Дьячков А. К., Подшипники скольжения жидкостного трения, М.,1955.

29. Дроздов Ю.Н., Мудряк В.И., Дынту С.И. Обобщенные характеристики для прогнозирования изнашивания трущихся поверхностей // Трение и износ. 1997, т. 18, № 6, с.715 721

30. Ивановский В.Н. Пекин С.С. Сабиров A.JI. Нефть и Газ РГУ Нефти и Газа им. И.М.Губкина, 2002. 256 с.

31. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. -М.: Металлургия, 1985.-256 с.

32. Прокойкин Д.А. Химико-термическая обработка металлов. Карбонитрация. М.: Машиностроение, 1984. - 240 с.

33. Попов А.А. Теоретические основы химико-термпческой обработки стали. Свердловск: Металлургиздат, 1962. - 120 с.

34. Попилов Л.Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов. Л.: Машиностроение, 1971. - 544 с.

35. Полевой С.Н., Евдокимов В.Д. Упрочнение металлов: Справочник. М.: Машиностроение, 1994. - 496 с.

36. Рыкалин Н.Н., Зуев И.В., Углов А.А. Основы электронно-лучевой обработки материалов. М.: Машиностроение, 1978. - 239 с.

37. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975. - 296 с.

38. Иванов Г.П. Технология электроискового легирования инструментов и деталей машин. М.: Машгиз, 1961. - 303 с.

39. Усов Л.Н., Борисенко А.И. Применение плазмы для получения высокотемпературных покрытий. М.: Наука, 1965. — 233 с.

40. Аскипази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей ЭМО. Л.: Машиностроение, 1968. - 162 с.

41. Кидин И.Н. Физические основы электротермической обработки металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1969. — 387 с.

42. Коваленко B.C. Лазерная технология: Учебник. К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989. - 280 с.

43. Абильсиитов Г.А., Велихов Е.П., Голубев B.C., Григорьянц А.Г., Лебедев Ф.В., Николаев Г.А. Мощные СО-лазеры и их применение в технологии. М.: Наука, 1984.

44. Лазерные технологические установки, выпускаемые в странах СНГ: Каталог справочник / под ред. И.Б. Ковша - 2-е изд. - Москва: Издательство НТИУЦ ЛАС, 1998- 114 с.

45. Гузанов Б.Н., Мигачева Г.Н., Большакова М.Ю. Влияние поверхностного упрочнения на надежность и работоспособность зубчатых колес // Вестник машиностроение. 2005. № 9. С. 56-59

46. Завестовская И.Н., Игошин В.И., Шишковский И.В. Моделирование лазерной закалки сталей с учётом тепловых, кинетических pi диффузионных процессов // Физика и химия обработки материалов. 1989. - №5. - С. 50 -56.

47. Углов А.А., Кулик А.Н., Махоркин И.Н., Сенин А.П К расчёту термонапряженного состояния металлического цилиндра при нагревеимульсно-периодическим лазерным излучением // Физика п химия обработки материалов. 1994. - № 4-5. - С. 12 - 18.

48. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977. - 648 с.

49. Блантер М.Е. Фазовые превращения при термической обработке сталей. М.: Металлургиздат, 1962.

50. Гриднев В.Н., Мешков Ю.Я., Ошкадёров С.П., Трефилов В.И. Физические основы электротермическго упрочнения стали. Киев: Наукова думка, 1973. - 436 с.

51. Мочалов А.А., Перелома В.А., Иванов А.Н. Математическая модель воздействия лазерного излучения на поверхность меч иша // Проблемы специальной электрометаллургии. 1995. - № 2. С. 71 - 76.

52. Лыков А.В. Теория теплопроводности. — М.: Высшая школа, 1967. —599 с.

53. Лыков А.В. Методы решения нелинейных уравнений нестационарной теплопроводности // Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт. 1970. - № 5. - С. 109-147.

54. Кодзоба Л.А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М.: Наука, 1975. - 227 с.

55. Мучник Г.Ф., Рубашев И.Б. Методы теории теплообмена. Теплопроводность. Ч. 1 -М.: Высшая школа, 1970. 287 с.

56. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы теории теплопроводности. Ч. 2. -М.: Высшая школа, 1982. 304 с.

57. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твёрдых тел. М.: Наука, 1964.-487 с.

58. Методы измерения температуры. Сборник ста ;гй / Под ред. В.А. Сапонова. М.: Изд-во иностр. лит-ры. 1954. т.2, ч.1 — 398 е.; ч.2 - 470 с.

59. Трощенко В.Т., Грязнов Б.А., Стрижало В.А. и др. Методы исследования сопротивления материалов демпфированию и разрушению при циклическом нагружении. Киев: Наукова думка, 1974. - 254 с.

60. Рыкалин Н.Н. Расчёты тепловых процессов лри сварке. М.: Машгиз, 1951.-296 с.

61. Башенко В.В., Лавров А.Е., Лопота В.А. Расчетные исследования тепловых процессов при непрерывных и импульсно-перн дических режимах лазерной сварки металлов // Физика и химия обработки м- гериалов. 1988. -№ 4. С. 56 - 62.

62. Захаров М.И., Худышев А.Ф. Расчёт п исследование температурного поля при импульсной электрон г. >-лучевой сварке тонкостенных конструкций электронных и других прг оров // Физика и химия обработки материалов. 1968. - № 4. С. 10-19.

63. Жиряков Б.М., Рыкалин Н.Н., Углов А. Л. О некоторых особенностях процессов разрушения металлов сфокуспр; шным излучением лазера // Журнал технической физики. 1971. - № 5. С. 10.7- 1042.

64. Горелик Г.Е., Павлюкевич Н.В., Перельман Т.Я. О плавлении полубесконечного тела под действием внутреннего точечного источника тепла // Инженерно-физический журнал. 1973. - № 3. С. ' 25 - 532.

65. Углов А.А. Гуськов А.П. Кинетика испарения металла в газовую атмосферу под действием заданного потока энергии h Физика и химия обработки материалов. 1982. - № 5. С. 5.

66. Анахов С.В., Алексеенко Н.Н., Пыкин Ю.А., Ф шных С.И. Метод расчёта температурных полей в процессе плазме, л юй закалки со сканированием // Теплофизика высоких температур. 19(;-'. - 32, № 1. - С. 40 -43.

67. Сысоев В.Г., Бабей Ю.И, Царенко П.И. К р;чччёту температуры нагрева при электрогидроимпульсной обработке // Физико-химическая механика материалов. 1979. - № 5. - С. 109 — 111.

68. Geissler Е., Bergmann H.W. Calculation of temper;, ure profiles, heating and quenching rates during laser processing // Laser Treat. iM .ter. Eur. Conf., Bad Nauheim, 1986. Oberursel, 1987.-P. 101-144.

69. Цыбенко A.C., Ващенко Н.Г., Кригцук Н.Г., Палёный В.В. Алгоритмы и программы расчёта двухмерных тепло и • i\ полей методом конечных элементов. Киев: КПИ, 1986. - 100 с.

70. Вазов В., Форсайт Дж. Разностные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных. М.: Изд. Иностр. лит-ры, 1963.-487 с.

71. Самарский А.А. Введение в теорию разностны:. схем. — М.: Наука, 1971.-552 с.

72. Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные мечмды решения задач газовой динамики. М.: Наука, 1980. - 351 с.

73. Михлин С.Г. Численная реализация вариационных методов. М.: Наука, 1966.-432 с.

74. Eyres N., Hartee D., Angham J., Jackson R., Sar/ant R., Waystaff J. Application of linear method to solution of heat transfer prol- 'ins // Philos. Trans. Roy. Soc., London. 1946.-vol.1.

75. Бусленко H.ll., Голенко Д.И., Соболь H.iVl. Метод статических испытаний: (метод Монте-Карло). -М.: Физматгиз, 1962. 331 с.

76. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технг :е. — М.: Мир, 1975. -541 с.

77. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной i\ анике сплошных сред. М.: Мир, 1976. - 464 с.

78. Нори Д., Де Фриз Ж. Введение в метод конечь ix элементов. М.: Мир, 1981.-303 с.

79. Боли Б., Уэйнер Дж. Теория температурных i а пряжений. М.: Мир, 1964.-518 с.

80. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого ti ;рдого тела. М.:г1. Наука, 1988.-712 с.

81. Углов А.А., Кулик А.Н., Махоркин И.Н., Сен ,ик А.П. К расчёту термонапряжённого состояния металлического цили дра при нагреве импульсно-периодическим лазерным излучением // Физика и химия обработки материалов. 1994. - № 4 - 5. С. 12-18.

82. Коваленко А.Д. Избранные труды. Киев: На; .сова думка, 1976.761 с.

83. Ольшанский В.М., Ложко А.Н., Ковалёв В. L Математическое моделирование температурных полей и напряжений в изделиях сложной формы // Проблемы металлургического производства. 1 991. - № 106. - С. 6 -8.

84. Коваленко B.C., Безыкорнов А.Н.^ Головко Л v. О напряжённом состоянии поверхностных слоев материалов, упроч! иных излучением лазера // Электронная обработка материалов. 1980. - №2 С. 34 - 37.

85. Коздоба JI.A. Методы решения нелинейных задач теплопроводности // Физика и химия обработки материалов. 1968. - №4. -С. 3-9.

86. Резников А.Н., Резников JI.A. Тепло; ые процессы в технологических системах. М.: Машиностроение, 1990. 288 с.

87. Багмутов В.П., Захаров И.Н. Моделирование i чловых процессов при воздействии на материал концентрированных л >гоков энергии // Mechanica, Kaunas. 1999. - №4 (19). - С. 42 - 49.

88. Коваленко B.C. и др. Упрочнение и легироь "пне машин лучом лазера / B.C. Коваленко, Л.Ф. Головко, B.C. Черненко. . Тэхника, 1990. -192 с.

89. Численные решения задач теплопроводности. Калиниченко В.И., Кощий А.Ф., Ропавка А.И. X.: Вища шк. Изд-во при оьк. ун-те, 1987. -112 с.

90. Прожега М.В. / Автоматизация сбора данных ри испытаниях на' трение и износ / XIX Международная шпер.! г-ориентированнаяконференция молодых ученых и студентов по проблем м машиноведения (МИКМУС-2007), Материалы конференции, Москва, 5-7 . -кабря, 2007г.

91. Смирнов Н.И., Прожега М.В., Смирнов К. . / Исследование трибологических свойств детонационных наноструктур;ip )ванных покрытий на основе WC-Co / Трение и износ, том 28, №2, 2007 г., ст; .195-199.

92. Справочник по математике для научных работ; псов и инженеров. Корн Г., Корн Т. М.: Наука, Главная редакция физ.-ма-. мтературы, 1984. -833 с.

93. Стохастическое моделирование в машиностросн и: Учеб. пособие / Чигиринский Ю.Л., Чигиринская Н.В., Быков Ю.М. 1'. !гГТУ, Волгоград, 2002. - 68 с.

94. Семёнов А.П., Ковш И.Б., Петрова И.М. и др. Методы и средства упрочнения поверхностей деталей машин концептрир* * iиными потоками энергии. М.: Наука. 1992. - 404 с.

95. Жиляев, Владимир Анатольевич. Повышен.е эксплуатационных свойств деталей из коррозионно-стойких упрочняемые сталей лазерной обработкой : Дис. . канд. техн. наук : 05.03.01 Волгоград, .005.