В статье приведены результаты исследования процесса интенсивности абразивного износа энергетическим подходом рабочих органов землеройных машин. Рассмотрено влияние на срок службы рабочих органов до предельного состояния внутренней энергии, упрочнение (наклеп) стали 110Г13Л, эффекта пластической деформации и темпа изнашивания.
Ключевые слова: землеройные машины, пластическая деформация, изнашивание режущих органов, абразивные частицы, термическая обработка стали, внутренняя энергия, темп износа, энергоемкость, производительность.
Как известно, на долю отказов, вызванных износом деталей, приходится около 80 % от общего числа поломок машин. Особенно интенсивно абразивному изнашиванию подвергаются рабочие органы землеройных машин. Создание более износостойкого режущего органа для землеройных машин и защита его от изнашивания, а также разработка способов увеличения его ресурса относится к числу приоритетных задач производителей и эксплуатационников с каждым годом приобретают всё большую актуальность [1].
В рабочих органах землеройных машин при механическом нагружении вследствие анизотропности свойств и несовершенства строения кристаллической решетки деталей происходит неоднородное поглощение энергии [2]. Рабочие органы разрушаются тогда, когда плотность внутренней энергии материала накапливаемой в деформируемом объеме достигает предельной (критической) величины, при этом критическая плотность внутренней энергии не зависит от условий, в которых протекает процесс, и является физической константой материала. Величина затраченной работы на разрушение зависит не от площади сечения образца, а от объема материала, втянутого в пластическую деформацию, который зависит от формы и размеров образца, физико-химической природы металла, его структурного состояния и других условий работы.
Нами были проведены исследования образцов из стали 110Г13Л, которая прошла специальную термообработку — отпуск при 420оС для выделения карбидов и, соответственно, объединения углеродом аустенита и низкая температурная закалка при 880оС; выделению карбидов способствовало присутствие в этой стали 0,7 % хрома.
Если обычная структура стали 110Г13Л аустенит, то после такой специальной термической обработки получены выделения карбидов и игольчатая фаза с повышением твердости. После специальной термообработки сталь 110Г13Л хорошо сопротивляется абразивному изнашиванию, дает значительное упрочнение в зоне трения (износостойкость увеличивается в 1,5 раза).
Дополнительное легирование стали 110Г13Л особых преимуществ не дало. Таким образом, рост плотности скрытой энергии получен за счет работы деформируемых сил и снижения различного рода релаксационных процессов, протекающих в деформируемых объемах материала, при этом первая тенденция связана с деформационным упрочнением (наклепом), а вторая с динамическим возвратом (отдыхом). Интенсивность указанных процессов определяется скоростью изменения плотности скрытой энергии и скоростью теплового эффекта пластической деформации [3].
Нами установлено, что интенсивность изнашивания зубьев из стали 110Г13Л (литой) обусловлена отсутствием глубокого наклепа металла на их рабочих поверхностях, а скорость изнашивания опережает темп наклепывания металла рабочих поверхностей, твердость которых становится на 16–30 % ниже исходной.
Скрытая теплота плавления материала является энергией, необходимой для нарушения связей в предельно искаженной кристаллической решетке. Практически любое воздействие внешней среды на материал, при его получении и обработке, передается через свободную поверхность твердого тела, поэтому поверхностные слои в большинстве случаев определяют поведение и свойства всего объема материала, а также эксплуатационные характеристики.
В процессе работы рабочих органов отделение частиц износа в поверхностном слое может сопровождаться деформациями и локальными выделениями большого количества тепла. Местный нагрев в зоне разрушения вызывает структурные изменения, подобные превращениям при отпуске стали, которые приводят к изменению исходных свойств. Поэтому величина твердости материала служит оценкой сопротивления металла пластическим деформациям, но не разрушению. Согласно энергетическим концепциям, разрушение может происходить при достижении плотности скрытой энергии материала до некоторой критической величины.
Изменение внутренней энергии изнашиваемого материала равно величине энергии новых поверхностей, образующихся при разрушении энергии, аккумулированной в металле при взаимодействии поверхностей трения «рабочий орган — грунт» в виде скрытой энергии деформации.
Пластическая деформация быстрее насыщает металл энергией, чем упругие деформации. Объем деформируемого материала зависит от нагрузки и от энергонасыщенности материала. Пассированный поверхностный слой может нести большую нагрузку, нежели активный.
В процессе разработки грунтов режущими органами землеройных машин происходит их интенсивное изнашивание, сопровождаемое изменением геометрической формы. Это приводит к тому, что эксплуатация машин производится с большими затратами энергии вследствие увеличения сопротивления резанию, уменьшению производительности.
В свою очередь быстрый темп изнашивания приводит к повышению энергоемкости разработки на 60–100 % и к снижению производительности землеройных машин на 10–40 %, кроме того, темп износа таков, что через весьма непродолжительное время режущий орган приводит к экономической нецелесообразности или практической невозможности дальнейшей эксплуатации машин [4].
Изнашивание режущих органов в грунтах зависит от их свойств, абразивности, плотности, влажности и химической активности, а также крупности частиц. Определенную роль в износе режущих органов играет нагрузка и скорость при изнашивании физико-механическими свойствами материалов и геометрических форм. Установлено, что кварцевые песчинки размером 1,6…2 мм изнашивают металл в 1,5…2 раза быстрее, чем частицы размером 0,12…0,35 мм, несмотря на уменьшение общего числа контактирующих частиц на одной и той же номинальной площади.
Разнообразие геометрических форм и механических свойств абразивных частиц и условий их взаимодействия с изнашиваемой поверхностью обуславливает различные напряженные состояния на контакте «рабочий орган — грунт», где величина и направление силы сопротивления резанию различны для разных типов грунтов.
Исследования показали, что износ режущих органов по опорной поверхности в 10–40 раз превышает величину износа по лобовой, на опорной поверхности режущего органа происходит износ грунтовыми частицами различной геометрической формы, находящимися под давлением, разным для различных грунтов.
Износ материалов режущих органов землеройных машин на грунтах происходит вследствие повторяющихся большое число раз пластических сдвигов металла в микрообъемах, что приводит к напряжению поверхностных слоев и развитию трещин усталости. Поэтому, при выборе материалов для режущих органов исходят не только из условий износостойкости, но и сопротивления пластическим сдвигам, которые не вызывали бы остаточных напряжений в поверхностных слоях.
Практически любое воздействие внешней среды на режущий орган при его изготовлении и обработке передается через свободную поверхность твердого тела, поэтому поверхностные слои в большинстве случаев определяют поведение и свойства всего объема материала, влияют на его эксплуатационные характеристики.
Скрытая теплота плавления является энергией, необходимой для нарушения связей в предельно искаженной (в процессе нагрева до температуры плавления) кристаллической решетки. Скорость изнашивания различных участков зубьев ковшей, непосредственно соприкасающихся в процессе работы машины с абразивом, не одинакова и зависит в основном от степени динамичности нагрузок, вызывающих абразивное изнашивание [4].
Таким образом, энергетический подход к решению задач, связанных с изучением процесса изнашивания рабочих органов землеройных машин, представляет собой качественно более высокий уровень изучения механизма износа и происходящих при этом взаимодействиях с грунтом.
Литература:
- Износ инструмента при землеройных работах. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://t-magazine.ru/pages/iznos/.
- Попов Д. А., Патюков С. С. Особенности условий эксплуатации рабочих органов строительно–дорожных машин, факторы, влияющие на их ресурс // Воронежский научно–тех. вестник. — 2015. -№ 1. — С. 85–94.
- Иванова В. С. Усталостное разрушение металлов. — М.: Металлургиздат, 1963. — 272 с.
- Густов Ю. И. Повышение износостойкости рабочих органов и сопряжений строительных машин: дисс… докт. техн. наук. –М., 1993. — 529 с.
