Підвищення зносостійкості корпуса різця дорожньої фрези - Автореферат

Для видалення пошкоджених шарів асфальтобетонних покриттів застосовують дорожні фрези, робочі органи яких експлуатуються в умовах інтенсивного абразивного зношування з наявністю локальних ударних навантажень при великих швидкостях переміщення та тисках середовища. Обертові різці провідних іноземних фірм (Betek, Wirtgen, Caterpillar, Kennametal тощо), що поширено використовуються в Україні, розроблені для фрезерування високоякісного дорожнього покриття в умовах суворої технологічної та експлуатаційної дисципліни. Досвід роботи підприємств Укравтодору, на яких використовується більше 160 одиниць дорожньо-фрезерних машин, свідчить про низький термін служби різців (менше 2-х тижнів). -дослідити вплив структурно-фазового стану й системи легування на здатність сталей та сплавів опиратися зношуванню в лабораторних і промислових умовах експлуатації інструментів; Основний науковий результат дисертації полягає у вирішенні актуального науково-практичного завдання - підвищенні зносостійкості різця дорожньої фрези за рахунок оптимізації його геометричної форми з урахуванням умов і механізму зношування, режимів обробки асфальтобетону, а також розроблення зносостійкого сплаву і технології його нанесення.З використанням існуючих підходів до пояснення процесу абразивного руйнування, теоретично визначено механізм зношування поверхні корпуса різця, досліджено вплив геометричних характеристик та зовнішніх параметрів експлуатації на триботехнічні властивості інструментів. Зважаючи на той факт, що інтенсивність спрацьовування різця визначається зносостійкістю його наконечника та корпуса, більшість дослідників намагались підвищити термін служби робочого органа лише за рахунок поліпшення матеріалу наконечника. Враховуючи можливість збільшення терміну служби різців за рахунок зміцнення зносостійкими сплавами, виконано аналіз впливу структурно-фазового стану, системи легування, кількості, типу зміцнювальної фази на здатність матеріалів протистояти руйнуванню при взаємодії з закріпленим абразивом. З огляду на те, що маса металу, який наноситься на поверхню корпуса різця є незначною (близько 30-50 г), а збільшення терміну служби в межах 20% має суттєво скоротити витрати на зміцнення та заміну нових інструментів, висунуто гіпотезу, що для легування зносостійкого матеріалу рентабельним є використання замість хрому карбідо-утворювального елемента більш високої цінової категорії, а саме титану. Зазначене підтверджується результатами аналізу взаємодії інструмента з дорожнім покриттям, згідно з якими він зазнає впливу складного механізму зношування абразивними частками різного ступеня закріпленості:-поверхня корпуса інструмента, що безпосередньо контактує з асфальтобетоном, працює в умовах зношування закріпленим абразивом за наявності локальних ударних навантажень;За результатами аналізу механізму абразивного зношування обертових різців дорожніх фрез зроблено висновок щодо актуальності збільшення терміну служби інструментів за рахунок оптимізації їх геометричної форми, зміцнення корпуса зносостійкими сплавами на основі дослідження механізму руйнації робочої поверхні, а також вибору режимів і умов експлуатації. При цьому завдяки обертовому руху барабана та поступовому руху фрези змінюється траєкторія переміщення різця відносно поверхні асфальтобетону, зменшується кут нахилу наконечника до оброблюваної поверхні, а отже корпус різця бере активну участь у процесі фрезерування. Досліджено поверхні тертя зразків після промислових випробувань, на підставі чого доведено, що зношування корпуса різця дорожньої фрези відбувається за рахунок домінування руйнації поверхні матеріалу закріпленим абразивом, а також впливу відокремлених від монолітного абразиву часток шляхом пластичного відтиснення та мікрорізання. Оскільки інтенсивність зношування верхньої частини корпуса різця у 2-3,5 рази перевищує інтенсивність зношування твердосплавної вставки, доведено необхідність забезпечення умов постійної зносостійкості інструмента по всій довжині робочої частини. Експериментальними дослідженнями впливу зовнішніх параметрів зношування на інтенсивність руйнування матеріалів в умовах експлуатації різців дорожньої фрези встановлено, що їх знос підвищується зі зростанням глибини фрезерування, що обумовлено збільшенням шляху, пройденого інструментом в асфальтобетоні, а відносна різниця в абсолютних значеннях масового зносу при підвищенні подачі є більшою при фрезеруванні більш міцніших асфальтобетонів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

1. За результатами аналізу механізму абразивного зношування обертових різців дорожніх фрез зроблено висновок щодо актуальності збільшення терміну служби інструментів за рахунок оптимізації їх геометричної форми, зміцнення корпуса зносостійкими сплавами на основі дослідження механізму руйнації робочої поверхні, а також вибору режимів і умов експлуатації.

2. Уточнено механізм фрезерування асфальтобетонного покриття, який пропонується розглядати як процес руйнування робочим органом дорожньої фрези монолітного шару зі звільненням гранітних часток із бітумної звязки. При цьому завдяки обертовому руху барабана та поступовому руху фрези змінюється траєкторія переміщення різця відносно поверхні асфальтобетону, зменшується кут нахилу наконечника до оброблюваної поверхні, а отже корпус різця бере активну участь у процесі фрезерування.

3. Досліджено поверхні тертя зразків після промислових випробувань, на підставі чого доведено, що зношування корпуса різця дорожньої фрези відбувається за рахунок домінування руйнації поверхні матеріалу закріпленим абразивом, а також впливу відокремлених від монолітного абразиву часток шляхом пластичного відтиснення та мікрорізання.

4. Досліджено у динаміці інтенсивність зношування обертових різців, розміщених у різних ділянках барабана і встановлено, що 63% інструментів спрацьовується рівномірно по всій поверхні корпуса і наконечника, близько 13% - виходить з ладу через заклинювання різця в різцетримачі, 24% - внаслідок відколювання твердосплавної вставки. Оскільки інтенсивність зношування верхньої частини корпуса різця у 2-3,5 рази перевищує інтенсивність зношування твердосплавної вставки, доведено необхідність забезпечення умов постійної зносостійкості інструмента по всій довжині робочої частини.

5. Удосконалено та уточнено математичні залежності розрахунку епюр навантажень та впливу геометричних розмірів конічної поверхні корпуса різця на величину тиску та його лінійний знос.

6. Теоретично обґрунтовано та практично доведено можливість підвищення зносостійкості обертового різця дорожньої фрези шляхом зміцнення його корпуса наплавленням зносостійкими сплавами. При цьому навантаження з наконечника робочого органа при спрацьовуванні переноситься на верхню частину його корпуса, а у видаленні шару асфальтобетону бере активну участь зміцнювальне покриття, яке захищає поверхню корпуса і зменшує вірогідність заклинювання інструмента в різцетримачі.

7. Експериментальними дослідженнями впливу зовнішніх параметрів зношування на інтенсивність руйнування матеріалів в умовах експлуатації різців дорожньої фрези встановлено, що їх знос підвищується зі зростанням глибини фрезерування, що обумовлено збільшенням шляху, пройденого інструментом в асфальтобетоні, а відносна різниця в абсолютних значеннях масового зносу при підвищенні подачі є більшою при фрезеруванні більш міцніших асфальтобетонів. Доведено, що зі збільшенням швидкості відносного переміщення механізм руйнування поверхні матеріалу інтенсифікується, що викликано зростанням сили заглиблення абразиву в поверхню деталі.

8. Одержані результати трибологічних досліджень дозволили встановити, що перспективними матеріалами для роботи в умовах експлуатації різців дорожніх фрез є сплави з високою твердістю (63-70 HRC) і значним вмістом (>60 %) зміцнювальної надлишкової фази мікротвердістю Н50=18-30 ГПА, розташованої в пластичній матриці. Цим вимогам відповідають сплави системи легування Fe-C-Ti-B, у яких кристалізується широкий спектр включень з високими фізико-механічними властивостями.

9. Побудовано математичні залежності впливу хімічного складу зміцнювальних сплавів системи Fe-C-Ti-B в діапазоні варіювання факторів (1,6-3,4% С, 3,0-6,0% В, 5,0-15,0 % Ti) на триботехнічні та фізико-механічні властивості матеріалів в умов зношування закріпленим абразивом.

10. Встановлено оптимальний склад зносостійкого сплаву системи легування Fe-C-Ti-B (2,0-2,4%С, 8,0-10,0% Ti,4,0-4,5% B, решта - Fe), який завдяки утворенню в структурі надлишкової зміцнювальної фази (63-65 %) у вигляді карбідів, боридів, карбоборидів заліза й титану мікротвердості (22,0-25,0 ГПА) забезпечує після промислових досліджень високу відносну зносостійкість (ем=1,74) та агрегатну твердість (66-68 HRC) в умовах зношування різців дорожньої фрези.

11. Результати промислового випробування конструкції різця, зміцненого за розробленою технологією дослідним сплавом 225Т10Р4, на підприємствах КП „ЕЛУАШ” (м. Запоріжжя), ДП „Запорізький облавтодор” і ТОВ „Ресурс інжиніринг” (м. Донецьк) показали підвищення зносостійкості на 18%. Очікуваний розрахунковий економічний ефект від впровадження практичних рекомендацій на ДП „Запорізький облавтодор” становить 42526 грн. на рік.

1. Попов С.Н. Аналитическое исследование влияния технологических параметров процессов нанесения износостойких покрытий с учетом термодинамической возможности образования упрочняющей фазы / С.Н. Попов, Д.А. Антонюк // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2005. - № 7. - С.186-197.

Автором виконано аналіз впливу легування та технологічних параметрів нанесення покриттів на ймовірність утворення зміцнювальної фази.

2. Попов С.Н. Влияние трибоматериаловедческих параметров разрушения резцов дорожной фрезы в условиях изнашивания закрепленным абразивом / С.Н. Попов, Д.А. Антонюк // Нові матеріали та технології в металургії та машинобудуванні. - 2006. - № 2. - С. 77-84.

Автором проведено оптимізацію математичних залежностей для розрахунку епюр навантажень та впливу геометричних характеристик різця на величину тиску та його лінійний знос.

3. Антонюк Д.А. Способ испытания материалов при изнашивании закрепленным асфальтобетонным абразивом / Д.А. Антонюк // Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2007. - № 2. - С. 71-76.

4. Попов С.Н. Комплексный метод натурных испытаний рабочих органов дорожных машин в условиях изнашивания закрепленным абразивом / С.Н. Попов, Д.А. Антонюк // Проблеми трибології (Problems of tribology). - 2008. - № 1. - С. 43-56.

Автором проведені випробування стандартних та дослідних різців у різних умовах експлуатації.

5. Антонюк Д.А. Исследование износа резцов дорожных фрез / Д.А. Антонюк // Проблеми трибології. - 2006. - № 4. - С. 12-23.

6. Попов С.Н. Анализ характера износа и определение критериев работоспособности рабочих органов дорожных фрез / С.Н. Попов, Д.А. Антонюк // Проблеми трибології. - 2007. - № 1. - С. 3-12.

Автором виконана статистична обробка зношених різців та проведений аналіз результатів.

7. Попов С.Н. Оптимизация срока службы резцов дорожной фрезы на основе технологий предварительной и восстановительной износостойкой наплавки / С.Н. Попов, Д.А. Антонюк // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2007. - № 1. - С. 69-77.

Автором проаналізовано схеми зносостійкого наплавлення різців дорожньої фрези.

8. Попов С.Н. Исследование влияния внешних условий изнашивания на износостойкость резцов дорожной фрезы / С.Н. Попов, Д.А. Антонюк // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2008. - №1. - С.25-29.

Особистий внесок: проведення експериментів та опрацювання результатів досліджень.

9. Антонюк Д.А. Исследование влияния параметров эксплуатации на механизм разрушения при изнашивании закрепленным абразивом / Д.А. Антонюк // Проблеми трибології. - 2008. - №3. - С.82-88.

10. Попов С.М. Металознавчі аспекти підвищення зносостійкості різців дорожніх фрез / С.М. Попов, Д. А. Антонюк // Металознавство та обробка металів. - 2007. - №1. - С.26-30.

Особистий внесок: побудова розподілу мікротвердості за перерізом різця.

11. Пат. 29219 Україна. МПК7 Е01С 23/00. Різець дорожньої фрези / Попов С.М., Антонюк Д.А.; заявники Попов С.М., Антонюк Д.А. - №200708848; заявл. 31.07.2007 ; опубл. 10.01.2008. Бюл. №1.

12. Пат. 34050 Україна. МПК7 В23К 35/36. Склад шихти зносостійкої порошкової стрічки на основі системи Fe-Ti-C-B / Попов С.М., Антонюк Д.А.; заявники Попов С.М., Антонюк Д.А. - №200802541; заявл. 28.02.2008 ; опубл. 25.07.2008. Бюл. №14.

13. Антонюк Д.А. Новый взгляд на режущие элементы дорожных фрез / Д.А. Антонюк // Мир техники и технологий. - 2006. - № 10. - С. 30-33.

14. Попов С.М., Антонюк Д.А. Дослідження зносу різців дорожних фрез / С.М. Попов, Д.А. Антонюк // Тиждень науки: наук.-техн. конф., 25-28 квітня 2005р.: тези допов. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2005. - С. 103-104.

Особистий внесок: проведення промислових досліджень стандартних різців.

15. Антонюк Д.А. Технология упрочнения резцов дорожных фрез / Д.А. Антонюк // Сварка. Контроль. Реновация - 2006: Труды шестой науч.-техн. конф.: тезисы докл. - Уфа: Гилем, 2007. - С. 102-105.

16. Попов С.Н. Разработка конструкции резца дорожной фрезы повышенной износостойкости / С.Н. Попов, Д.А. Антонюк // Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях: Матер. 7 ежегодн. межд. конф., 12-16 февраля 2007г.: тезисы докл. - К.: УИЦ «Наука. Техника. Технология», 2007. - С. 167-169.

Автором виконано розрахунок інтенсивності зношування елементів різця.

17. Попов С.Н. Восстановление изношенных резцов дорожных фрез фирмы «Wirtgen» / С.Н. Попов, Д.А. Антонюк // Современные проблемы сварки, наплавки и материаловедения: Республиканская науч.-метод. конф., 19-22 апреля 2005г.: тезисы докл. - Мариуполь: ПГТУ, 2005. - С. 123-126.

Особистий внесок: дослідження механізму зношування окремих частин інструмента.

18. Попов С.Н., Антонюк Д.А. Износостойкая наплавка корпуса резца дорожной фрезы / С.Н. Попов, Д.А. Антонюк // Зварювання та суміжні технології: Матер. IV Всеукр. конф. молодих учених та спец., 23-25 травня 2007р.: тези допов. - К.: ІЕЗ ім. Є.О. Патона, 2007. - С. 83-84.

Особистий внесок: дослідження доцільності застосування зносостійкого наплавлення різців дорожньої фрези.

19. Антонюк Д.А. Разработка износостойких наплавочных сплавов системы Fe-C-Ti-B для упрочнения корпуса резца дорожной фрезы / Д.А. Антонюк // Зварювання та споріднені процеси: Матер. Всеукр. наук.-техн. конф. студ., аспір. і молод. науковців, 3-7 вересня 2008 р.: тези доп. - Миколаїв: НУК, 2008. - С. 11-12.