ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО РЕСУРСА РЕЖУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЗЕМЛЕРОЙНЫХ МАШИН

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются вопросы эксплуатации землеройных машин в каръерных условиях, с целью повышения долговечности и эффективности функционирования режущих элементов. Для достижения цели предложены различные методы по упрочнению режущих элементов землеройных машин. С целью более глубокого изучения характера износа в лабораторных условиях было исследовано: химический состав материала образца, его микроструктура, твердость металла на поверхности площадки износа и наличие на ней наклепа. Эксплуатационные испытания наплавленных зубьев и режущих элементов проводились методом сравнения (укорочения).

ABSTRACT

This article discusses the issues of operating earth-moving machines in quarry conditions, in order to increase the durability and efficiency of the cutting elements. To achieve the goal, various methods have been proposed for strengthening the cutting elements of earthmoving machines. In order to research the nature of wear in more depth in the laboratory, the following were investigated: the chemical composition of the sample material, its microstructure, the hardness of the metal on the surface of the wear site and the presence of a rivet on it. Operational tests of fused teeth and cutting elements were carried out by comparison (shortening).

Ключевые слова: землеройные машины, отвал, клиновидные резцы, экскаватор, изнашивание, боковая поверхность.

Keywords: earthmoving machines, blade, wedge-shaped cutters, excavator, wear, side surface.

Введение. Большинство рабочих элементов землеройных машин характеризуется высокими функциональными скоростями и удельными нагрузками [1]. В этих условиях материалы рабочих элементов должны обеспечивать сочетание необходимых конструктивной прочности и износостойкости [2]. В свою очередь износ рабочих частей приводит к повышению энергоемкости разработки на 60-100% и к снижению производительности на 10-40% [3]. Поэтому повышение долговечности и эффективности функционирования режущих элементов землеройных машин, является актуальной задачей.

Материалы и методы исследования. Для оптимизации конструктивной прочности и износостойкости зубьев ковшей гидравлических экскаваторов и наконечников рыхлителей исследованы резцы клиновидной и криволинейной форм. Последние выбирали на основе геометрического моделирования резцов естественных землероев (слепушонка и выдры). Форму режущего элемента оптимизировали по силовым показателям и износа в условиях блокированного резания сырого кирпича при скорости резания 6,5 м/с. Методом тензометрирования установили, что силы сопротивления резанию клиновидным резцом, резцами типа "выдра" и "слепушонок" относятся как 3,75: 1,58: 1; 0. При этом необходимая прочность криволинейного резца типа "слепушонок" обеспечивается при массе в 1,9 раза меньшей, чем у клиновидного [4, 5].

Натурные испытания в грунтовых условиях Центральной Азии показали, что наплавка зубьев ковшей гидравлических экскаваторов 30-3322 наконечников рыхлителей ДП-15 электродами Х-5 обеспечивает повышение долговечности, соответственно, в 2,0-2,5 и 1,5-2,0 по сравнению с наплавкой электродами Т-590 [6]. Проведенные наблюдения экскаваторов, работающих на карьерах Республики Узбекистан, позволили установить следующий характер изнашивания зубьев. Через небольшой промежуток времени от начала эксплуатации на режущей части зуба образуется площадка износа, угловое положение которой относительно продольной оси зуба остается постоянным. По мере упрочнения режущей части длина площадки износа увеличивается, достигая максимального значения при предельно допустимом износе острия зуба. Одновременно с укорочением режущей части изнашивается и передняя поверхность зуба, но с гораздо меньшей скоростью. Задняя поверхность зуба при этом незначительно изнашивается [7].

Результаты исследования. Выполненные измерения партии изношенных зубьев ЭКГ-10 не подвергавшихся восстановлению, показали, что при максимальном линейном износе режущей части L_пр= 170-180 мм, длина площадки износа L_Δ= 160-180 мм, угол а между касательной к площадке износа и продольной осью зуба составляет 30-35 град. Максимальный износ передней поверхности в хвостовой части зуба Δ_max = 25-30 мм. Изнашивание боковых поверхностей в заметной степени происходит только у режущей части зуба. Несколько иной характер изнашивания наблюдается у зубьев, периодически переустанавливаемых в процессе эксплуатации. При переустановке производится поворот зубьев на 180° относительно их продольной оси, благодаря чему равномерно изнашиваются обе рабочие поверхности зуба. В результате многократной перестановки изношенные зубья приобретают обтекаемую форму со слабо выраженной площадкой износа. Ресурс зубьев, работающих в этом режиме, несколько увеличивается, однако необходимость дополнительных трудовых затрат делает этот путь малоэффективным.

С целью более глубокого изучения характера износа в лабораторных условиях было исследовано: химический состав материала образца, его микроструктура, твердость металла на поверхности площадки износа и наличие на ней наклепа. Эксплуатационные испытания наплавленных зубьев проводились методом сравнения (укорочения). Для этого на ковш экскаватора кроме двух наплавленных зубьев были установлены три неупрочненных зуба. Наработка испытанных зубьев (ЭКГ-10 инв. № 55) составила 200 маш/ч.

После достижения величины линейного износа режущей части эталонных (неупрочненных) зубьев 170 мм испытания были прекращены. Полученное незначительное уменьшение износа режущей части опытных зубьев по сравнению с эталонными показывают, что применение наплавки для крупных зубьев ковшей вместимостью более 2,5 м³, как метода поверхностного упрочнения зубьев, ковшей карьерных экскаваторов оказался малоэффективным в связи с особенностями условий эксплуатации.

Среди большого количества различных способов, используемых для восстановления и упрочнения рабочих органов ковшей экскаваторов видное место занимает электрошлаковая наплавка (ЭШН) [8, 9]. Это объясняется рядом особенностей ЭШН, а именно: высокой производительностью и качеством наплавленного металла, возможностью наплавки за один проход слоя практически любой толщины, сравнительной простотой получения биметаллического слоя или слоя переменного химического состава. Особенно ощутимо эти преимущества ЭШН перед другими способами проявляются при наплавке крупных зубьев экскаваторов. Установления эффективности применения методов электрошлаковой наплавки объемного упрочнения зубьев была произведена опытная наплавка изношенных зубьев. Наплавка зубьев выполнена на установке ЭШН В ЦРГО НГМК.

На первом этапе для плавящегося электрода была выбрана сталь 110Г13Л. На втором этапе для плавящегося электрода была выбрана сталь 50ХГ. Режимы наплавки оставались такими же, как и при наплавке сталью 110Г13Л.

Объемное упрочнение наплавленных режущих частей было выполнено с помощью термообработки. Опытные зубья подвергались объемной закалке с нагревом до температуры t^/// = 840-860 °С, временем выдержки в печи 3 часа и охлаждением в масле. Затем комплект зубьев получил высокий отпуск при температуре t^// = 420-470 °С, выдержки в печи 3 часа с последующим охлаждением на воздухе. Второй комплект зубьев прошел низкий отпуск при температуре t^/ = 200-240°С, выдержке в печи 3 часа и охлаждение на воздухе.

После термообработки твердость метал на наплавленной режущей части зуба, прошедшего низкий отпуск НВ 460.

Эксплуатационные испытания опытных зубьев также проводились методом сравнения при их совместной установке на один ковш с эталонными, в качестве которых были использованы два новых зуба и один зуб восстановленный на установке ЭШН по существующей технологии.

Выводы и рекомендации по упрочнению режущих элементов землеройных машин.

1. Причиной низкой долговечности зубьев является интенсивный износ их режущих частей, обусловленный высокой абразивностью среды.

2. Низкая износостойкость материала режущих органов объясняется в данном случае тем, что не реализуется одно из главных физико-механических свойств высокомарганцевой стали 110Г13Л способность к значительному упрочнению (наклепу) под действием внешних усилий. Несмотря на ударных характер рабочих нагрузок в зоне контакта абразивных частиц с материалом зубьев имеет место только локальное пластическое деформирование металла, которое не вызывает глубокого упрочнения аустенитной структуры закаленной стали 110Г13Л, а приводит к образованию тонких наклепанных поверхностных слоев, толщиной в 1,5-2,0 раза меньше средней глубины рисок, оставляемых абразивными частицами. При этом основной объем металла зуба изнашивается в неупрочненном состоянии, что и обусловливает низкую износостойкость, стали 110Г13Л в рассматриваемых условиях работы. Разработка высоко абразивных взорванных пород износ опережает темп образующегося наклепа, это подтверждается результатами измерений твердости изношенных поверхностей, которые на 16-30 % ниже исходной.

3. Рекомендуется включить в технологический процесс изготовления зубьев двукратный отжиг от температуры 800-830 °С с медленным охлаждением со скоростью не более 25 град.ч и последующей закалкой в воде с температурой 1050-1100° С.

4. В качестве операции восстановления изношенных зубьев на установке ЭШН выполнять объемное упрочнение режущей части зубьев путем приварки к телу изношенного зуба острия, изготовленного методом ковки из сложнолегированных сплавов систем: Fe- Сг- С-B, Fe-C-Cr-Ti-B, Fe-C-Cr-W-V и других, отличающихся повышенной износостойкостью и недефицитностью материалов по сравнению со сталью 110Г13Л.

6. Технологические методы повышения износостойкости связаны с уменьшением первоначальной скрытой энергии материала зубьев, за счет создания в приповерхностных слоях напряжений, противоположных по знаку относительно образующихся при трении, эксплуатационные методы C уменьшением накапливаемой в материале энергии сил трения, путём оптимизации режимов работы, а конструкторские методы выбором оптимальной формы и энергоёмких материалов, соответствующих минимальной мощности сил трения.

Список литературы:

1. Голубченко А.И., Хожило М.Э. Повышение эффективности землеройно-транспортной машины с режуще-метательным рабочим органом // Вісник ПДАБА. 2013. №3 (180). С. 28-37.
2. Хорошавин С.А. Повышение эффективности карьерных одноковшовых экскаваторов за счет совершенствования рабочего оборудования: дис. ... канд. тех. наук. – Екатеринбург, 2015. – 155 с.
3. Dilmira Valieva*, Salokhiddin Yunusov and Nodirjon Tursunov, “Study of the operational properties of the bolster of a freight car bogie” E3S Web of Conferences 401, 05017 (2023). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202340105017
4. Rakhimov, U., & Tursunov, N. (2023). Development of technology for high-strength cast iron for manufacturing D49 head of cylinder. In E3S Web of Conferences (Vol. 401, p. 05013). EDP Sciences.
5. Rakhimov, U. T., Tursunov, N. K., & Tursunov, S. E. (2024, March). Improvement of production technology for spheroidal graphite cast iron with increased strength. In American Institute of Physics Conference Series (Vol. 3045, No. 1, p. 060024).
6. Семенов М. Ю., Смирнов А. Е., Фомина Л. П., Абсаттаров Салохиддин Нуритдин-Угли / Определение углеродного потенциала и коэффициента массопереноса углерода при вакуумной цементации сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2024. - № 1. - С. 8-13.
7. Тоиров, О. Т., Л. А. Кучкоров, and Д. Ш. Валиева. "Влияние режима термической обработки на микроструктуру стали Гадфильда." Scientific progress 2.2 (2021): 1202-1205.
8. Komkov V.G., Teplashin M.V. Electroslag welding machines // Scientific notes of Pacific State University. – 2013, № 4, 1313-1317 pp.
9. Артемьев А.А., Соколов Г.Н., Зорин И.В. Электрошлаковая наплавка поверхностей изделий композиционным износостойким сплавом // Международный научно-исследовательский журнал. – 2014. – №4 (23).