Совершенствование технологии восстановления дисков фрикционных передач газодетонационным напылением /на примере кпп трактора к-700

Содержание работы

Введение включает актуальность темы диссертации, цель исследования, научную новизну и основные положения работы.

Анализ литературных данных и проведенные исследования показали, что диски трения энергонасыщенных тракторов, являясь наиболее нагруженными деталями, определяют надежность фрикциона и коробки передач трактора в целом. Выявлены и изучены факторы определяющие надежность дисков, а также существующие способы восстановления дисков трения, большинство из которых до настоящего времени не нашли широкого применения на ремонтных предприятиях, т.к. не обеспечивают необходимого уровня качества и экономической эффективности производства.

Исследованиями установлено, что основной причиной отказов, лимитирующих долговечность фрикционных узлов (износ, усадка, коробление, поломки и спекание дисков трения), являются повышенная температура диска при буксовании и циклические термические напряжения, вызванные неравномерностью температурного поля. Источниками тепла в дисках являются микро­объёмы материала прилегающие к единичным пятнам контакта на их рабочих поверхностях, причем часть диска, не участвовавшая в трении, остается холодной. Местоположение пятен контактов непрерывно меняется во времени и в зависимости от скорости скольжения и давления в каж­дом элементе пары трения создаётся пространственное поле тепловых источников. Перепад температур по радиусу и толщине вызывает в диске термические напряжения, в разогретой зоне возникают сжимающие напряжения и создаются благоприятные условия для пластических деформаций сжатия и образования остаточных напряжений после охлаждения диска, поскольку предел текучести материала в зонах повышенной температуры ниже. При этом температура, с одной стороны, порождает термические напряжения, а с другой, снижает способность материала противостоять термомеханическим напряжениям, вызывая в них структурные изменения и снижая предел текучести. Так как в любой точке диска напряжения при нагреве и охлаждении имеют разный знак происходит циклическое нагружение материала дика со значительной амплитудой. Поэтому параметры, определяющие долговечность фрикционного узла, должны прежде всего характеризовать его тепловую напряженность.

Также установлено, что из-за существенной разницы температурного градиента по ширине рабочей поверхности дисков, находящегося в прямой зависимости от скорости скольжения, процесс изнашивания дисков после значительного числа буксований по всей поверхности трения не одинаков и пропорционален радиусу. Разница значений скорости скольжения на отдельных участках рабочих поверхностей дисков в соответствии с конструкциями ГМП составляет до 30%, так для тракторов «Кировец» абсолютная разность значений скорости скольжения при частоте вращения ведущего вала коробки передач 2050 об/мин составляет около 12м/с при максимальном значение скорости скольжения 60м/с.

В соответствии с анализом состояния вопроса и целью исследования поставлены следующие задачи:

- провести исследование технического состояния и характера отказов фрикционных дисков тракторов «Кировец» при поступлении ГМП в ремонт;

- выявить закономерности изменения износостойкости фрикционных дисков от физико-механических свойств фрикционных материалов нанесенных газодетонационным напылением на рабочие поверхности дисков;

- разработать методику прогнозирования ресурса восстановленных дисков с учетом конструктивно технологических параметров дисков в условиях термомеханического циклического нагружения дисков;

- проверить эффективность разработанной технологии восстановления дисков в условиях эксплуатационных испытаний, дать рекомендации производству.

Увеличить ресурс фрикционных дисков путем уменьшения интенсивности изнашивания фрикционных поверхностей возможно снижением уровня термомеханических напряжений, исходя из того, что величина термических напряжений прямо пропорциональна градиенту температур диска, снижение значения величины термических напряжений в паре трения может бать достигнуто за счет обеспечения наилучшего отвода тепла от поверхности трения.

При равных условиях работы и конструктивных размерах дисков, а так же и равных коэффициентах трения материалов, диск изготовленный из материала с большим коэффициентом теплопроводности будет меньше подвержен воздействию термических напряжений. Предложено для восстановления геометрических параметров дисков использовать фрикционные материалы на основе меди, имеющей коэффициент теплопроводности в 10 раз больший, чем у стали, что позволяет для дисков с парой трения сталь-медь увеличить продолжительность безопасной пробуксовки до схватывания.

Для устранения неравномерности износов дисков по ширине рабочих поверхностей, являющейся результатом работы отдельных участков диска в условиях различных скоростей скольжения и, как следствие, различных термомеханических напряжений необходимо обеспечить изменение физико-механических свойств материала дисков по рабочей поверхности. Данное изменение свойств реализовано путем кольцеобразного нанесения на основу дисков фрикционных материалов с различными физико-механическими свойствами. Ширина кольцевых элементов с различными материалами определяется исходя из условий работы и геометрических параметров дисков из уравнения:

L=(R-r)/k_{1 ,} (1)

где L – ширина кольцевого элемента; R – наружный радиус дисков;

r – внутренний радиус дисков; k₁ – коэффициент учитывающий нагруженность фрикциона и имеющий минимальное значение k₁=1 для малонагруженных фрикционов.

Для определения ресурса дисков, достижения материалами на рабочих поверхностях предельного состояния под воздействием циклических термических и контактных механических воздействий, использована известная диаграмма предельных напряжений, в которую внесены дополнения, позволяющие установить предельное напряжение в диске с учетом остаточных термомеханических напряжений. При этом получена формула ресурса фрикционных дисков в условиях термомеханического нагружения:

N= N_b (k_tσ_r/ σ_max)ⁿ ₌ N_b (n_σ)ⁿ , (2)

где n –показатель степени определяемый экспериментально;

n_σ – запас выносливости;

N_b - базовое число циклов нагружений;

n – показатель степени определяемый экспериментально;

k_t – технологический коэффициент, учитывающий конструктивно технологические факторы;

σ_r – предельное термомеханическое напряжение в диске;

σ_max– наибольшее термомеханическое напряжение возникающее на поверхности трения при работе, определяемое из расчетов, исходя из конструктивных и геометрических параметров, физико-механических свойств дисков.

Учитывая, что поверхность фрикционного диска при трении испытывает преимущественно термические напряжения диаграмма строится в координатах σ_max, σ_min по оси ординат и σ_m, среднегеометрическое напряжение по оси абсцисс.

Рис. 1. Диаграмма предельных напряжений

Крайняя правая точка диаграммы Д соответствует циклу нагружения при котором σ_max, σ_min = σ_m,, что соответствует напряжениям возникающим на поверхности трения при критической температуре схватывания – Ткр, т.е. максимально допустимой температуре при постоянном трении. Таким образом, в верхней части диаграмма ограничена стойкостью материала к схватыванию, соответственно максимальная величина термических напряжений не должна превышать температуры схватывания. С другой стороны линяя ОД является точками характеризующими термические напряжения цикла σ_m= (σ_max+σ_min)/2. Для материалов применяемых для восстановления дисков известны или могут определены экспериментально пределы выносливости при симметричных σ_-1 и пульсирующих σ₀ термических напряжениях. Прямая проходящая через точки К (0; σ_-1) и С (σ₀/2; σ₀) является геометрическим местом точек соответствующих пределу выносливости σ_r при заданном коэффициенте асимметрии термических напряжений, т.е. материал диска в опасном сечении выдержит без разрушения базовое число циклов N_b.

Соответственно, если т. М характеризующая термические напряжения в материале диска лежит ниже прямой КД, то материал будет иметь некоторый запас выносливости.

Эксперименты проводились по стандартным и разработанным методикам. Использовались методики оценки линейных размеров дисков, макро и микро анализа, оценки твердости, определения уровня остаточных напряжений, испытания на износостойкость, определение фрикционных свойств.

Сравнительный метод предусматривал установку на трактора «Кировец» отремонтированных ГМП с восстановленными по разработанной технологии дисками с целью определения и сравнения действительной и расчетной наработок при предлагаемом способе восстановления фрикционных дисков.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований. По результатам лабораторных исследований установлено, что фрикционные диски тракторов «Кировец» целесообразно восстанавливать до нормального размера с образованием пары трения «медь-сталь» методом газодетонационного напыления на стальную основу дисков фрикционных материалов на основе меди – оловянисто-алюминиевой и алюминиевой бронзы. Установлено, что повышение массовой доли алюминия в составе покрытия на основе меди приводит к увеличению износостойкости. Выявлены зависимости изменения коэффициента трения от продолжительности буксования пар трения в масле, так стабильность коэффициента трения показала пара БрАНЖ-6-2-5 – Сталь 65Г, рис.2.

Рис. 2. Зависимость коэффициента трения от продолжительности буксования пары трения

БрАНЖ-6-2-5 – Сталь 65Г в масле.

Анализ проведённых экспериментов по определению параметров напыления порошкового материала БрАНЖ-6-2-5 показал, что оптимальные размеры частиц порошка – 20-60 мкм расстояние от среза ствола до напыляемой поверхности диска – 180 мм.

При проверке влияния технологии восстановления на склонность восстановленных дисков к нарушению пространственной геометрии установлено, что придание диску зигзагообразного профиля сечения, путем пластического деформирования, с последующим заполнением фрикционным материалом лишь полученных впадин увеличивает стойкость дисков к короблению до 15%. Выявлена зависимость влияния остаточных напряжений на величину коробления восстановленных дисков, рис.3.

По результатам исследований параметров термомеханического циклического нагружения дисков при работе фрикциона и зависимости наработки восстановленных дисков до предельного состояния – схватывания, прижогов и недопустимого коробления от запаса выносливости дисков рис. 4, расчетов по диаграмме предельных напряжений, подтверждена применимость формулы (2) для прогнозирования ресурса дисков. Расхождение значений ресурса рассчитанного и данными испытаний составляют 10-13%.

Рис. 3. Зависимость между остаточными напряжениями и короблением восстановленных дисков.

Рис. 4. Зависимость наработки восстановленных дисков до предельного состояния их рабочих поверхностей N= (n_σ)^2,7510⁴

Р
ис. 5. Схема технологического процесса восстановления фрикционных дисков

Р
а) б) в)

ис. 6. Фрикционные диски трения: а) изношенный диск; б) восстановленный диск по предлагаемой технологии: 1 – зигзагообразный профиль сечения изношенного диска после пластического деформирования; 2 – кольцевые впадины заполненные фрикционным материалом; в) пакет из восстановленных дисков: 1 – ведомые диски; 2 – ведущий диск.

Очищенные диски сортируются по группам:

ведущие диски трактора К-700 дет. № 700.17.01.038-2;

ведущие диски тракторов К-700А и К-701 дет. № 700А. 17.01.038-2;

ведомые диски тракторов К-700 и К-700А дет. № 700.17.01.037-1;

ведомые диски тракторов К-701 дет. № 700А. 17.037-1.

Затем каждую из этих групп подвергают дефектации, контролирует по степени износа и отбраковывают не подлежащие восстановлению диски имеющие: разрушения целостности, трещины и толщину менее 2,0-_0,06 мм для 700А.17.01.037-1 и менее 2,8_-0,06 мм для 700А.17.01.038-2.

Прошедшие дефектацию изношенные диски (рис.6, а) с размером S_и нагревают и подвергают в штампе горячей пластической деформации с целью придания диску специального зигзагообразного кольцевого профиля 1 (рис.6, б). После операции пластической деформации диск имеет зигзагообразную кольцевую форму с размером профиля по выступам равным номинальному размеру нового диска S_н (рис.6, б) с учетом припуска 0,3 мм на последующую механическую обработку.

Фрикционные свойства рабочих поверхностей дисков восстанавливают заполнением трапециидальных кольцевых впадин 2 (рис. 6, б) фрикционным материалом, методом газодетонационного напыления. Так для фрикционных дисков ГМП тракторов «Кировец» предложено формирование трех трапецеидальных впадин шириной L_i=9^+0.1 мм (две впадины с одной стороны и одна с другой). Размер и расположение трапециидальных впадин профиля таков (рис. 6,б), что при сборке фрикционных дисков в пакет впадины заполненные фрикционным материалом образуют пару трения с материалом основы диска «сталь-медь» (рис. 6, в). В качестве фрикционного материала для заполнения кольцевых впадин используется материал БрАНЖ-6-2-5, для заполнения впадин у внутреннего радиуса напыление производится БрАНЖ-4-2-5 и на других режимах с образованием в материале большей пористости до 18% и снижения содержания.

Восстановленный диск за счет лучшего отвода тепла с рабочей поверхности – снижения уровня термомеханических напряжений и большей жесткости поперечного сечения, в сравнении со стальным диском с напылением фрикционного материала по всей плоскости рабочей поверхности, обладает большей стойкостью к короблению. Предлагаемая технология обеспечивает восстановленным до нормального размера дискам ресурс в 1,6 раза больше серийных, позволяет создавать оптимальные пары трения по всей ширине рабочей поверхности путем подбора физико-механических свойств напыляемых материалов для конкретных условий эксплуатации в зависимости от удельной нагрузки и скорости скольжения, широко применять данную технологию восстановления и даже улучшать динамические характеристики агрегатов, в которых они используются.

выводы

1. 
   Исследованиями установлено, что основной причиной отказов дисков фрикционных передач (износ, усадка, коробление, поломка и спекание дисков трения), являются накопленные термомеханические напряжения. Около 65% фрикционных дисков при ремонте ГМП имеют предельное состояние и нуждаются в замене. Интенсивность износа диска по ширине рабочей поверхности пропорциональна его радиусу.
   
2. 
   Установлены закономерности изменения износостойкости фрикционных материалов на основе меди. Наибольшей стабильностью коэффициента трения обладает покрытие полученное газодетонационным напылением материала на основе алюминиевой бронзы БрАНЖ-6-2-5, рис.2. Использование фрикционных материалов на основе меди для рабочих поверхностей приводит к снижению уровня остаточных термомеханических напряжений до 10%.
   
3. 
   Рациональное изменение физико-механических свойств (износостойкость, пористость, твердость, коэффициент трения и т.д.) на рабочих поверхностях фрикционных дисков реализуется методом газодетонационного напыления. Так для обеспечения равномерного износа рабочей поверхности дисков по ширине тракторов «Кировец» применены на одной и той же рабочей поверхности фрикционные материалы с разными физико-механическими свойствами (БрАНЖ-6-2-5 и БрАНЖ-4-2-5).
   
4. 
   Разработан способ восстановления изношенных дисков трения, позволяющий восстанавливать их до нормального размера с обеспечением переменных фрикционных свойств по ширине рабочей поверхности дисков, увеличения износостойкости и стойкости к короблению и, как следствие, повышения долговечности фрикционных дисков до 1,6 раз по сравнению со штатными.
   
5. 
   Разработанная методика прогнозирования ресурса позволяет рассчитать наработку фрикционных дисков до предельного состояния на основе диаграммы предельных напряжений и экспериментальных параметров циклического термомеханического нагружения.
   
6. 
   Годовой экономический эффект от восстановления фрикционных дисков тракторов «Кировец», получаемый за счет увеличения межремонтного ресурса ГМП, составит 9,2 тыс. рублей на один трактор.
   

1. Конореев Р.В. Обоснование выбора методов восстановления и повышения ресурса дисков фрикционных передач//Наука на пороге XXI века: Сб.научн.тр. аспирантов и студентов. – Новосибирск, 1998. – с.40-41.

2. Конореев Р.В., Коноводов В.В., Малышко А.А. Технология восстановления фрикционных дисков трения //Агроинженерная наука – итоги и перспективы. Ч.2/НГАУ ИИ. – Новосибирск, 2004. - с.297-298.

3. Конореев Р.В. Разработка технологий восстановления плоских поверхностей дисков гидромеханических передач/ Заключительный отчет УДК 621.363.21.004.67 № Гос. регистрации 01.200.201119. НГАУ. – Новосибирск, 2005.

4. Патент РФ №2210477. Способ восстановления фрикционных дисков трения / Р.В. Конореев, А.А. Малышко, В.В. Коноводов. – Опуб. 20.08.2003; Бюл. №23

Подписано к печати «____» _______2007 г.

Формат 60х84/16 Тираж 100 экз. Заказ №
Отпечатано в копировальном центре ИИ НГАУ

г.Новосибирск, ул. Никитина, 147 к.208б