материал предоставил д.т.н. КОРОТКОВ Владимир Александрович
СВАРКА. РЕНОВАЦИЯ. ТРИБОТЕХНИКА: тезисы докладов VI Уральской научно-практической конференции / Отв. ред. В.А. Коротков; М-во образования и науки РФ; ФГАОУ ВПО «УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», Нижнетагил. технол. ин-т (фил.). — Нижний Тагил: НТИ (филиал) УрФУ, 2013. — 76 с.

Во время ремонтных остановок выполняется ревизия механизмов и замена изношенных деталей новыми. Частота ремонтов может определяться частотой отказов оборудования — ремонты по отказу. Но они занимают много времени, так как к ним нет возможности подготовиться. В исправление этого разработаны планово-предупредительные ремонты (ППР), которые выполняются после определённой наработки. Такой подход сокращает время ремонтов, но допускает преждевременные ремонты, ибо износ не повторяется с большой точностью. С 90-х годов наличие неисправностей определяют вибродиагностикой работающего оборудования. Это исключает преждевременные ремонты, что нашло отражение в названии ремонтов — по фактическому состоянию (РФС). Дальнейшее сокращение ремонтов возможно увеличением послеремонтной наработки оборудования. Это достигается применением мер по замедлению износа; такие ремонты получили название проактивных (ПАР). Содержание проактивной части ремонтов:

  • оптимизация внешнего воздействия, в том числе снижение пиковой (от вибраций, ударов и прочего) его составляющей;
  • оптимизация смазки;
  • упрочнение рабочих поверхностей.

Оптимизация внешнего воздействия

Внешнее воздействие, вызывающее износ, определяется мощностью оборудования. Но снижение мощности влечёт падение производительности. Тем не менее, такой путь возможен, если годовая выработка оборудования, эксплуатирующегося с меньшей нагрузкой, за счёт малых ремонтных простоев окажется больше, чем в случае работы с большой нагрузкой и значительными ремонтными простоями и издержками.

Другой путь оптимизации внешнего воздействия заключается в уменьшении его разрушающего действия без снижения мощности, путём снижения концентрации напряжений. Например, корпус 12-метрового штампа для формовки труб большого диаметра после непродолжительной эксплуатации разломился надвое. Его ремонтная сварка без дополнительных мер по усилению представлялась не перспективной. Анализ напряжённого состояния конструкции показал, что уровень эквивалентных напряжений по линии излома резко снижается в результате изменения всего лишь на 7° угла расположения нижних рёбер жёсткости. Последующая эксплуатация модернизированного штампа подтвердила справедливость этого решения.

Пиковая составляющая нагрузки может появляться от неполадок. Твёрдая наплавка торцов тележек обжиговых машин не только снизила износ и частоту ремонтов самих тележек, но за счёт того, что одновременно устранился перекос тележек, снизились нагрузки на приводную звёздочку и вчетверо уменьшились замены её секторов.

Пиковые нагрузки создаёт вибрация. Вакууматор состоит из ёмкости с двумя патрубками. Через один расплав стали всасывается в вакууматор, а через другой — сливается обратно в ковш. Всасывающий патрубок при работе создавал вибрацию, которая разрушала огнеупорную футеровку. Скрепляющие элементы снизили вибрацию и вдвое увеличили стойкость вакууматора.

Оптимизация смазки

Смазка представляет собой прослойку, которая переводит внешнее (большое) трение поверхностей во внутреннее (небольшое) трение смазочного материала. Различают жидкостную смазку, когда трущиеся поверхности разделяет сплошной устойчивый слой смазочного вещества, и граничную смазку — с более тонким и прерывистым слоем масла. Жидкостная смазка обеспечивается особым устройством подшипников, а граничная — получается в результате свободного размещения на поверхностях трения смазочных веществ. В качестве последних исторически первыми применялись масла животного и растительного происхождения. В последней четверти XIX века началось производство более дешёвых минеральных масел из нефти. Их свойства оказались не так хороши, поэтому шёл длительный процесс улучшения их присадками. К середине XX века относится появление синтетических масел. Имея низкую вязкость, мало зависящую от температуры, и химическую стабильность, они обеспечивают лучшие смазочные свойства, благодаря чему достигается снижение трения и износа по сравнению с нефтяными маслами.

В 30-х годах XX века стал известен эффект Ребиндера. Он показал, что трение способен снижать чрезвычайно тонкий (5 нм) слой поверхностно-активных веществ (ПАВ), который можно назвать «невидимой смазкой». Для нанесения ПАВ на поверхность на Западе был разработан раствор, названный «Эпилам». В дальнейшем новые растворы ПАВ по аналогии продолжали именовать эпиламами, присваивая каждому оригинальное название (марку). В 60-х годах в НИИЧаспроме был разработан эпилам ЭН-3 — раствор стеариновой кислоты в изооктане. Затем появились и совершенствуются эпиламы на основе фторированного ПАВ. Например, 0,05% раствор перфторполиэфирной кислоты 6МКФ-180 в Хладоне 113 (эпилам Эфрен-2). Эпиламовая «невидимая смазка» не отменяет применения обычной смазки, но повышает её эффективность (снижая трение и износ), за счёт исключения контакта трущихся поверхностей несмазанными участками. Эпиламирование предусматривает предварительное обезжиривание поверхности, смачивание её эпиламом и сушку на воздухе, что вполне доступно к применению в ремонтах.

В 60-х годах в СССР было зарегистрировано научное открытие №41 — «эффект безызносности». Его суть в том, что из смазки, содержащей мелкодисперсные частицы, на поверхностях трения осаждается их тонкий слой. За ним признаётся способность изнашивания и восстановления по мере увеличения зазора между поверхностями трения. Таким образом, несмотря на трение и изнашивание, первичные поверхности деталей, будучи защищёнными осажденным слоем, остаются без износа. Отсюда происхождение названия «эффект безызносности». Для его достижения в масла добавляют1 дисперсные порошки мягких (медь, серпентинит, фторопласт) и твёрдых (керамика, алмаз) материалов. Наиболее устойчивые представления о них следующие. Медные добавки плохо удерживаются на поверхности, поэтому требуется их постоянное присутствие в смазке. Серпентинит обладает способностью к диффузии с созданием прочного слоя с низким коэффициентом трения. Твёрдые частицы алмаза и керамики, заполняя микронеровности, создают некоторое подобие подшипника качения. Добавками к маслам достигается восстановление износа без разборки механизмов и снижение трения.

Оптимизация выбора смазочных материалов может дополняться совершенствованием систем доставки их к узлам трения. Этим без капитальных вложений продлевается межремонтная наработка оборудования.

Упрочнение рабочих поверхностей

Для всех сочетаний пар трения существует некоторый диапазон нагрузок и скоростей трения, в котором износ на несколько порядков ниже, чем вне этого диапазона. В машиностроении идёт непрерывный поиск путей перемещения указанного диапазона в области более высоких значений давлений и скоростей. При этом важную роль играет упрочнение. В третьей четверти XX века широкое его применение (закалка ТВЧ, цементация, азотирование, наплавка, напыление и прочее) позволило существенно замедлить износ и увеличить (до микронного уровня) точность изготовления деталей. Без упрочнения повышение точности не имеет смысла, ибо в этом случае дорогостоящие микронные сопряжения из-за быстрого износа превращаются в рядовые уже в начале эксплуатации. Благодаря микронной подгонке деталей, минимизированы зазоры, снижен шум, динамические нагрузки, вибрация, появилась возможность работы с минимальным изнашиванием на больших скоростях. В механизмах убрали регулировочные элементы, служащие для выборки зазоров при быстром изнашивании, что также положительно отразилось на надёжности машин и оборудования. Машины нового поколения столь существенно увеличили наработку, что их называли «безремонтными».

Охват упрочнением функциональных поверхностей машин ещё не оптимален, поэтому работы по упрочнению во время ремонтов вполне оправданы. Обратим внимание на карбонитрацию и ручную плазменную закалку. Они разработаны не так давно, но имеют перспективы для применения, именно при ремонтах, так как относятся к категории финишных.

Карбонитрация — разработана в СССР в 70-х годах и представляет собой насыщение поверхности азотом и углеродом в расплаве соли цианата калия. Свойства карбонитрированного слоя подобны свойствам слоя, полученного азотированием. На поверхности имеется тонкий слой (около 5 мкм) твёрдого карбонитрида, под которым располагается насыщенный азотом слой (0,2 мм) с постепенно убывающей твёрдостью. Отличие в том, что азотированием упрочняются только легированные стали, а карбонитрация способна упрочнять обычные углеродистые стали (таблица 1).

Таблица 1 — Твёрдость карбонитрированных поверхностей (измерения выполнены ультразвуковым твердомером УЗИТ-3)
Сталь Ст.3 40 40Х У8 65Г ХВГ Х12М 20Х16МГСФР
HRC 35 45 52 56 59 63 64 68

Карбонитрация не требует такой тщательной предварительной очистки как азотирование и выполняется гораздо быстрее (2 ч вместо 48 ч), чем азотирование. Детали машин могут изготавливаться по чертёжным размерам и сразу после карбонитрации направляться в эксплуатацию. При этом снижается трудоёмкость изготовления, приобретается износо- и коррозионная стойкость. Например, применение карбонитрации вместо закалки ТВЧ снизило расход ведущих валов-шестерней редуктора бурового станка СБШ-250 в 6 раз.

Плазменная закалка установкой УДГЗ-200. Путём совершенствования оборудования и технологии удалось стабилизировать тепловое воздействие дуги на поверхность и сделать возможным выполнение закалки вручную. Теперь закаливается то, что было не возможно. При этом она может использоваться в составе автоматов или роботов. С её помощью решены важные проблемы на ведущих предприятиях Урала.

1 — «добавки», создающие эффект безызносности, следует отличать от «присадок», которые вносятся в масла при их производстве.