Разработка технологии и оборудования для восстановления работоспособности быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Бабаевский, Александр Николаевич

• Бабаевский, Александр Николаевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бабаевский, Александр Николаевич

Введение

1 Обзор литературы и постановка задачи исследования ^

1.1 Сведения о мостовых грейферных кранах g

1.1.1 Особенности работы кранов в условиях цементного производства

1.1.2 Требования, предъявляемые к быстроизнашивающимся деталям кранов

1.1.3 Виды разрушений и дефектов ходовых колес

1.2 Прогрессивные методы восстановления и упрочнения функциональных поверхностей деталей

1.2.1 Химико-термические методы восстановления и упрочнения поверхностей

1.2.2 Электрохимические методы нанесения покрытий

1.2.3 Газотермические и электротермические методы нанесения покрытий

1.3 Анализ динамики контактно-фрикционного разрушения ходовых колес

1.4 Типовая технология и оборудование для восстановления ходовых колес

1.5 Цель и задачи исследований

2 Теоретическое обоснование способа восстановления рабочих поверхностей ходовых колес

2.1 Проверка степени влияния технологических факторов наплавки на качество получаемой поверхности

2.2 Расчет точности и качества механической обработки ходового колеса

2.2.1 Суммарная погрешность установки и закрепления ходового колеса в станок для механической обработки ^

2.2.2 Определение точности операций механической обработки ^

2.2.3 Проверка качества механической обработки

2.3 Выводы по главе

3 Проведение экспериментов по определению степени влияния технологических режимов восстановления на качество получаемой поверхности

3.1 Исследование влияния степени легирования наплавочных материалов

3.2 Исследование влияния режимов термообработки до наплавки

3.3 Исследование влияния режимов термообработки после наплавки

3.4 Выводы по главе

4 Оптимизация технологических режимов восстановления функциональных поверхностей ходовых колес

4.1 Синтез наплавочных флюсов ^

4.2 Моделирование наплавочного процесса

4.3 Оптимизация параметров наплавки

4.4 Оптимизация режимов механической обработки ^

4.5 Выводы по главе 82 5 Разработка оборудования и технологии для восстановления и упрочнения ходовых колес

5.1 Автоматизация процесса наплавки

5.2 Модернизация оборудования для наплавки

5.2.1 Автоматическая наплавочная установка

5.2.2 Расчет основных элементов конструкции и узлов установки

5.3 Разработка электрической схемы

5.4 Разработка алгоритма управления

5.5 Инженерная методика восстановления работоспособности быстроизнаши „ 110 вающихся деталей кранов

5.6 Экономические показатели эффективности внедрения новой технологии и оборудования для восстановления работоспособности деталей кранов Ш

5.7 Выводы по главе * ^

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии и оборудования для восстановления работоспособности быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов»

На промышленных предприятиях неизбежно использование грузоподъемных кранов. Грузоподъемный кран - машина циклического действия, предназначенная для подъема и перемещения груза, удерживаемого грузозахватным органом. Промышленные краны, главным образом, - рельсовые краны: мостовые, консольные и козловые.

Особое место среди промышленных кранов занимают мостовые краны технологического тракта цементного производства. Они подвержены особо тяжелым условиям эксплуатации - трехсменный график работы, пыле- и влагонасыщенная окружающая среда, 100% -е нагружение крана. Все эти факторы снижают плановый ресурс работы быстроизнашивающихся деталей кранов, а, следовательно, периодичность ремонтных простоев кранов. При этом имеет место актуальность проблемы восстановления работоспособности, повышения износостойкости и долговечности деталей, определяющих срок службы крана между ремонтами. Это не только повысит коэффициент использования крана, но и позволит избавиться от закупки и складирования новых запасных частей на кран.

При трении и изнашивании быстроизнашивающихся деталей протекают сложные, взаимосвязанные физические, химические и механические процессы.

При выявлении методов восстановления и упрочнения изношенных частей механизмов мостовых кранов необходимо установить доминирующий вид их изнашивания в различных условиях эксплуатации, предусмотреть средства обеспечения надежности и заданного ресурса. Следует учитывать физико-химическое влияние окружающей среды, стохастические закономерности распределения поверхностных сил, тепловых источников, импульсивность их воздействия, высокую скорость протекания химических реакций, градиенты полей напряжений, деформаций, температур, диффузионные процессы массопереноса. Во время работы крана, особенно в переходных режимах, вид изнашивания может меняться.

Упрочнение рабочих поверхностей деталей позволяет существенно повысить их надежность благодаря росту сопротивления усталости, износостойкости, коррозионной стойкости и других параметров.

В настоящее время в машиностроении высокое качество и надежность узлов трения обеспечиваются применением износостойких и антифрикционных покрытий. Защита поверхности массивных деталей позволяет сэкономить дорогостоящие легированные стали, успешно решить проблемы восстановления изношенных деталей.

Из большого числа известных технологических методов упрочнения металлических поверхностей значительный интерес представляют современные прогрессивные методы, нашедшие применение на практике как методы эффективной борьбы с наиболее распространенными видами усталостного разрушения и изнашивания, обладающие рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами объемного и поверхностного упрочнения. Требуемые поверхностные свойства обеспечиваются как нанесением защитного покрытия, так и преобразованием поверхностного слоя металла с помощью химических, физических, механических методов, диффузионного насыщения, химико-термической обработкой [1].

Химико-термические методы упрочнения поверхности трения (цементация, азотирование, цианирование, борирование и т.п.) весьма эффективно повышают сопротивление абразивному изнашиванию благодаря увеличению твердости. Для улучшения противозадирных свойств посредством сульфид ирования, сульфоцианирования, селенирования, карбо-нитрации, азотирования создаются тонкие поверхностные слои, обогащенные химическими соединениями, предотвращающими схватывание и задир.

Значительная часть технологических задач, связанных с необходимостью восстановительного ремонта и повышения износостойкости, решается с использованием методов металлизации напылением (газопламенная, электродуговая, плазменная, высокочастотная индукционная металлизация, детонационное напыление) [1].

При восстановлении деталей со значительными износами применяют главным образом наплавку: ручную электродуговую и газовую, автоматическую и полуавтоматическую под слоем флюса и порошковыми проволоками, вибродуговую в жидкости, в среде защитных газов, электрошлаковую и плазменную.

Создание на трущихся поверхностях прочных износостойких слоев позволяет существенно повысить прочность, коррозионную стойкость и износостойкость материалов. Толщина наносимого покрытия или упрочняемого слоя зависит от режимов работы детали, преобладающего вида повреждения и допустимого износа.

Эффективность применяемого метода упрочнения зависит от соответствия физико-химических и физико-механических свойств получаемого покрытия требованиям, определяемым условиями работы изнашиваемой детали и преобладающим видом механизма изнашивания.

Быстроизнашивающиеся детали мостовых кранов отличаются высоким уровнем износа рабочих поверхностей, а в условиях цементного производства этот износ носит к тому же исключительный характер, и технология восстановления работоспособности деталей должна обладать определенной гибкостью и маневренностью для каждого частного случая ввиду многочисленных факторов, определяющих вид, интенсивность и градиент износа. Учитывая вышеизложенное, приняты за основу для разработки требуемой технологии автоматическая электродуговая наплавка под флюсом и, учитывая опыт других видов восстановления и упрочнения, проведены необходимые качественные изменения процесса наплавки, а также последующей механической обработки для обеспечения требуемой геометрической точности детали.

Рабочая гипотеза: получение требуемых механических свойств рабочий поверхностей деталей на основании расчета модели распределения температурных полей и структурно-фазовых превращений металла при наплавке с последующей механической обработкой точением, оптимизированной на базе основных положений теории резания.

Цель работы: на основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработать автоматическую установку для износостойкой наплавки, реализующую новую инженерную методику и технологию восстановления рабочих поверхностей быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов в стационарных условиях на территории эксплуатирующего мостовые краны предприятия.

Объекты исследований: процессы, протекающие при восстановлении деталей электродуговой наплавкой под флюсом и оказывающие влияние на соблюдение требований их эксплуатации; процессы формирования макро- и микрогеометрии рабочих поверхностей при обработке резанием; оборудование для восстановления.

Научная новизна работы: теоретическими и экспериментальными исследованиями установлены аналитические и эмпирические зависимости, на основании которых разработана технология восстановления рабочих поверхностей быстроизнашивающихся деталей; разработана новая инженерная методика восстановления быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов; разработана автоматическая наплавочная установка, реализующая данную методику; определена эмпирическая зависимость величины твердости от технологических факторов процесса наплавки при восстановлении.

Автор защищает следующие основные положения:

- теоретические исследования в области технологий и методик восстановления работоспособности и геометрии рабочих поверхностей массивных быстроизнашивающихся деталей сложной формы;

- технологию восстановления, полученную в результате оптимизации зависимостей параметров технологии от факторов, влияющих на процесс восстановления;

- конструкцию автоматической наплавочной установки, реализующую оптимизированную технологию восстановления;

- инженерную методику восстановления с обеспечением необходимого качества и точности восстановленной поверхности.

Практическая ценность работы: разработана автоматическая наплавочная установка, реализующая разработанную технологию и инженерную методику восстановления работоспособности быстроизнашивающихся деталей.

Внедрение результатов работы: результаты работы апробированы и внедряются в опытно-промышленное производство на ЗАО «Белгородский цемент», ОАО «Оскол-цемент».

Публикации: по теме опубликовано 8 работ.

Апробация работы: результаты работы доложены на международных конференциях в г. Белгород (2001, 2002, 2003 г.), на заседаниях научно-отраслевой лаборатории и кафедры «Технология машиностроения и робототехнические комплексы», работа имеет поддержку в виде гранта министерства образования РФ (приказ № 1479 от 8 апреля 2003 г.).

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Бабаевский, Александр Николаевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлены основные факторы, влияющие на возможность осуществления износостойкой наплавки.

2. Проанализирована зависимость распределения температуры в теле детали при наплавке и выявлена степень влияния параметров термических циклов наплавки на качество наплавляемой поверхности.

3. Проведен ряд экспериментов, подтверждающих необходимость термической обработки наплавляемой детали перед и после наплавки.

4. Разработана программа количественного анализа микрошлифов наплавленного металла.

5. Установлена степень влияния химической активности флюсов на качество наплавленной металла: для осуществления износостойкой наплавки необходимо применять флюсы с химической активностью не выше 0,1.

6. Разработана программа корректировки химического состава флюса для его химической нейтрализации.

7. Установлена зависимость твердости наплавленного металла от основных параметров наплавки (ток, напряжение дуги, приведенный углеродный эквивалент), позволяющая рассчитывать значения со средней погрешностью 2,26 % в сравнении с реальными значениями, максимальная погрешность составляет 4,3 %.

8. Разработаны методики и программы оптимизации режимов наплавки и последующей механической обработки в зависимости от конкретных условий обработки конкретных деталей.

9. Разработана и рассчитана конструкция, электрическая схема и алгоритм управления автоматической наплавочной установки для износостойкой наплавки.

10. Разработана инженерная методика восстановления работоспособности быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов.

11. Установлено, что срок окупаемости капитальных вложений на внедрение новой технологии и оборудования для восстановления работоспособности быстроизнашивающихся деталей мостовых кранов составляет 9,5 месяцев.

114

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бабаевский, Александр Николаевич, 2004 год

1. Конструирование машин. Под. ред. К.В. Фролова. М.: Машиностроение, 1994. 516 с.

2. Справочник технолога машиностроителя. Т. 1/ Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. -М.: Машиностроение, 1985. 456 с.

3. Справочник технолога машиностроителя. Т. 2/ Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. -М.: Машиностроение, 1985. 520 с.

4. Лившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. М: Машиностроение, 1989. 275 с.

5. Воловик Е.Л. Справочник по восстановлению деталей. М.: Колос,1981. 316 с.

6. Сучков O.K. Износостойкая наплавка деталей. М.: Колос,1974. 230 с.

7. Дроздов Ю.Н. Трение и износ в экстремальных условиях. М.:Машиностроение,1986. -168 с.

8. Никифорова Н.М. Теплотехника и теплотехническое оборудование предприятий промышленности строительных материалов и изделий: Учебник для техникумов. М.: Высшая школа, 1981. - 321 с.

9. Кушнырев В.И. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Стройиздат, 1983. -253 с.

10. Митин Г.П., Погонин А.А., Хазанова О.В. Решение задач автоматизации с использованием программируемых логических контроллеров. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2001. 78 с.

11. Приоритет на полезную модель «Автоматическая электродуговая наплавочная установка» от 20.02.2004 г.

12. Электрошлаковая сварка и наплавка в ремонтных работах. /Под общ. Ред. Д.А. Дудко. -Киев: Наук. Думка, 1989 190с.

13. Восстановление деталей машин и механизмов сваркой и наплавкой. М.: Машиностроение, 1966.-241с.

14. Фумин И.И., Юзвенко Ю.А. и др. Технология механизированной наплавки. М.: Высшая школа, 1964 - 96с.

15. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя в 3-х томах, Т1 М.: Машиностроение, 1976 - 728с.

16. Справочник технолога-машиностроителя «Обработка металлов резанием» /под ред. А.А. Панов и др. М.: Машиностроение, 1988 - 431с.

17. Допуски и посадки: справочник в двух частях 41 В.А. Мягкова, М.А Полей и др. М.: Машиностроение, 1982 - 544с.

18. Меликов В.В. Многоэлектродная наплавка. М.: Машиностроение, 1988 204с.

19. Новик Ф.С. Математические методы планирования эксперимента в металловедении. Раздел 1. М.: Московский институт стали и сплавов, 1972.

20. Единая система допусков и посадок СЭВ в машиностроении и приборостроении. Справочник: в 2-х томах. Tl.-М.: Издательство стандартов, 1989 263с.

21. Лебедев Л.В. Начала технологического проектирования. Учебное пособие. Белгород, БТИСМ, 1992-78с.

22. Ящерицин П.И. и др. Основы резания материалов и режущий инструмент.-М.: Высшая школа, 1981 560с.

23. Рубцов А.Н., Погонин А.А., Пелипенко Н.А. Математическое моделирование в машиностроении: Учебное пособие. М.: изд. МИСИ, БТИСМ, 1988 - 68с.

24. Бронштейт Н.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. -М.: Физматгиз, 1981 -308с.

25. Лернер П.С. Лукьянов П.М. Токарное и фрезерное дело. Учебное пособие. М.: Просвещение, 1990 - 86с.

26. Аваков А.А. Физические основы теории стойкости режущих инструментов. М., Машгиз, 1960-308с.

27. Адлер Ю.П. Введение и планирование эксперимента. М., 1969 224с.

28. Адлер Ю.П., Макаров Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: 1972 132с.

29. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1969 - 559с.

30. Банит Ф.Г., Крижановский Г.С., Якубович Б.И. Эксплуатация, ремонт и монтаж оборудования промышленности строительных материалов. Издательство литературы по строительству. Москва 1971 96с.

31. Банит Ф.Г. Ремонт оборудования цементных заводов. 2-е перераб. Изд. Госстройиздат, 1958-171с.

32. Банит Ф.Г., Нивижский О.А. Механическое оборудование цементных заводов. Учебник для техникумов. Изд. 2-е перераб. И доп. М.: Машиностроение, 1975 - 318с.

33. Банит Ф.Г., Якубович Б.И. Эксплуатация, ремонт и монтаж оборудования заводов строительных материалов. М.: Стройиздат, 1964 236с.

34. Бажков В.М., Кацев П.Г. Испытания режущего инструмента на стойкость. М.: Машиностроение, 1985 - 136с.

35. Богданов А.И. Механическое оборудование цементных заводов. Машгиз, 1961 - 186с.

36. Борисенко А.В., Лебедев В.Я.//Технологические методы управления качеством деталей машин и приборов. Саратов, 1981 с. 448.

37. Браун Е.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе А.В. Моделирование трения и изнашивания в машинах. М.: Машиностроение, 1982 - 192с.

38. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов 13-е изд., исправленное. - М.: Наука, Гл. ред. Физмат. Лит., 1986 - 544с.

39. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирования Применительно к задачам электроэнергетики).: Учебник для Вузов по спец. «Кибернетика элекгр. Систем». 3-е изд., перераб. И доп. - М,: Высшая школа, 1984 - 439с.

40. Вульф А.М. Резание металлов. Изд. 2-е. Л., Машиностроение (Ленингр. Отд-ние), 1973 -496с.

41. Веников В. А. Теория подобия и моделирования. М.: Высшая школа, 1976 479с.

42. Горский В.Г., Адлер Ю.П. Планирование промышленных экспериментов. М.: Металлургия, 1974 264с.

43. Грановский Г.И., Грудов П.П., Кривоухов В.А. Резание металлов. М.: Машгиз, 1954 -472с.

44. Грановский Г.И. Обработка результатов экспериментальных исследований резания металлов. М.: Машиностроение, 1982 - 112с.

45. Дроздов Н.Е. Эксплуатация, ремонт и испытания оборудования предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. М.: Высшая школа, 1979 207с.

46. Дроздов Н.Е., Сапожников М.Я. Ремонт и монтаж оборудования заводов строительных материалов. М.: Стройиздат, 1967 384с.

47. Дроздов Н.Е., Фейгин Л.А. Эксплуатация и ремонт машин предприятий нерудных строительных материалов. М. 1969 276с.

48. Егоров М.Е. и др. Технология машиностроения. М: Высшая школа, 1976 534с.

49. Загденидзе Г.И. Планирование эксперимента для исследований многокомпонентных систем. М.: наука. 1976 390с.

50. Картшпев А.П., Рождественский Б.Л. Обыкновенные дифференциальные уравнения и основы вариационного исчисления. М.: Наука, 1980 - 228с.

51. Колев К.С. Технология машиностроения. М: Высшая школа, 1977 - 256с.

52. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов ПБ 10-382-00. М.: НПК «Апрохим», 2001 243 с.

53. Колесов И.М. Основы технологии машиностроения. М.: Высшая школа, 1999 - 590с.

54. Лысяков А.Г. Краны промышленных предприятий. М.: Машиностроение, 1985 - 176 с.

55. Абрамович И.И. Грузоподъемные краны промышленных предприятий. Справочник. М.: Машиностроение, 1989 - 355с.

56. Электрошлаковая сварка и наплавка. Под. ред. Б.Е. Патона- М.: Машиностроение, 1980 -512 с.

57. Метлин Ю.К. Сварочные и наплавочные работы при ремонте деталей строительных машин. М.: Стройиздат, 1981 - 158 с.

58. Сварочные материалы для дуговой сварки. Под. ред. Н.Н. Потапова М.: Машиностроение, 1989 - 543 с.

59. Патон Б.Е. Электрооборудование для дуговой и шлаковой сварки. М.: Машиностроение, 1966 - 352 с.

60. Савровский Д.С. Конструкционные материалы и их обработка. М.: Высшая школа, 1976 -328 с.

61. Справочник по полупроводниковым приборам и их аналогам. Под. ред. А.М Пыжевского М.: Изд-во «РОБИ», 1992 - 316 с.

62. Киркач Н.Ф., Баласанян Р.А. Расчет и проектирование деталей машин. Харьков.: Изд-во «Основа», 1991 - 272 с.

63. Бабаевский А.Н. «Разработка технологии и оборудования для упрочнения и восстановления деталей оборудования цементного производства». Дипломный проект. БелГТАСМ.2001 г.-92 с.

64. Бабаевский А.Н., Харций О.В. Специальные станки для обработки внутренних бандажей роторных измельчительных устройств // Механики XXI веку: Сборник докладов. -Братск: БрГТУ, 2001. С. 130-133.

65. Бабаевский А.Н. Восстановление ходовых колес мостовых кранов цементных заводов // Международная студенческая научно-техническая конференция: сборник тезисов докладов. Белгород: БелГТАСМ, 2001. 4.2 - С. 144-145.

66. Погонин А.А., Бабаевский А.Н. Регенерация и упрочнение изнашивающихся деталей в условиях цементного производства // Современные технологии в машиностроении: сборник материалов V Всероссийской научно-практической конференции. Пенза, 2002. -Ч.2-С. 22-24.

67. Погонин А.А., Бабаевский А.Н. Восстановление ходовых колес мостовых кранов цементного производства // Цементная промышленность. Серия 1, выпуск 2. М.: ВНИИЭСМ,2002 г.-С. 15-19.

68. Погонин А.А., Бабаевский А.Н. Частотное управление приводом наплавочного модуля в практике восстановления ходовых колес // Механика и процессы управления: сборник докладов. Екатеринбург, 2002. - С. 437-440.

69. Погонин А.А., Бабаевский А.Н. Модернизация оборудования и технологии для восстановления работоспособности массивных деталей с высокой интенсивностью износа // вестник БГТУ. Научно-теоретический журнал №7. Белгород: БГТУ, 2003. - С. 46-49.

70. Погонин А.А., Зозулева JI.A., Бабаевский А.Н. Разработка системы автоматического управления установки для восстановления работоспособности крановых колес // Горный информационно-аналитический бюллетень ISSN0236 №8 2004. С. 331-333.