- •Часть II. Методы управления старением машин
- •Глава 4. Конструктивные методы управления старением машин
- •4.2. Выбор материалов
- •Выбор материалов для деталей горных машин
- •4.3. Уменьшение концентрации напряжений в деталях
- •4.4. Регламентация качества поверхностного слоя
- •Параметры качества поверхностного слоя
- •4.5. Уменьшение износа деталей машин
- •Контрольные вопросы к главе 4
4.2. Выбор материалов
Каждая машина состоит из комплекса разнообразных деталей, узлов, среди которых одни работают практически неограниченное время, другие периодически подвергаются восстановительному ремонту или замене. К последней группе относятся детали, которые работают в условиях трения либо находятся под воздействием значительных статистических или переменных нагрузок. Очень часто детали машин работают в напряженном состоянии при повышенных или пониженных температурах (до – 50 °С) или в коррозионных средах. Такие детали имеют ограниченный срок службы в эксплуатации, от их долговечности зависит срок службы машины в целом.
При модернизации узлов машины, имеющих ограниченную долговечность, необходимо уточнить выбор материала, определить вид и режимы его упрочнения, чтобы продлить срок эксплуатации деталей и всей машины.
Конструкционные стали с пониженным содержанием углерода (С до 0,25 %) чаще всего подвергаются цементации и закалке, после чего получается высокая твердость цементованного слоя при вязкой сердцевине. Среднеуглеродистые стали (с С>0,25 %) применяются, как правило, для изготовления деталей, которые подвергаются объемной термической закалке и отпуску.
Имеется группа высокопрочных сталей (например, хромоникелевые, легированные молибденом, вольфрамом, ванадием), которые после соответствующей термической обработки приобретают при достаточной вязкости более высокую прочность, чем у обычных конструкционных сталей. Их используют для ответственных деталей.
В табл. 4.1 приведены сведения о характере работы, причинах выхода из строя некоторых широко распространенных деталей горных машин, а также о материалах и способах повышения долговечности, применяемых при изготовлении деталей из них.
На основании изложенного можно сформулировать требования к материалам:
1. Предпочесть особо прочные материалы, необходимые для высоконапряженных машин и для единичных деталей многих машин, так как нередко габариты и массу машины приходится существенно увеличивать из-за одной особо напряженной небольшой по металлоемкости детали.
Применить композитные материалы как средства принципиального снижения чувствительности материалов к концентрации напряжений.
Выбрать дешевые металлические материалы с высоким модулем упругости, с хорошими технологическими свойствами и стабильностью, с малыми вредными остаточными напряжениями в деталях после их изготовления.
Заменить применяемые в узлах трения материалы на высокоизносостойкие материалов с твердостью выше твердости абразива для работы в абразивной среде.
В связи с переходом расчетов на прочность в вероятностной форме необходимо определение и указания в характеристиках материала предела выносливости и кривой усталости для нормального распределения амплитуд напряжений, а также показатели рассеивания механических характеристик.
Таблица 4.1
Выбор материалов для деталей горных машин
Наименование деталей |
Характер работы
|
Материалы для деталей |
Основные виды повреждений в эксплуатации
|
Способы повышения долговечности
|
Колеса зубчатых передач |
Изгиб зубьев, контактные сжатие и сдвиг, трение и удары торцов зубьев |
Стали углеродистые марок от 35 до 50; легированные стали: З5Х, 45Х, 40ХН, 18ХГТ, 30ХГТ, 12ХНЗА, 40ХНМА, З8ХМЮА |
Излом зуба, осповидное выкрашивание, изнашивание или пластическая деформация рабочих поверхностей зубьев, торцевой износ зубьев |
Объемная или поверхностная закалка зубьев, цементация, азотирование, нитроцементация рабочих поверхностей зубьев |
Звездочки цепных передач |
Удары и трение рабочих поверхностей звездочек об элементы цепи, абразивный износ
|
Серый чугун С415-32, конструкционные углеродистые или легированные стали |
Изнашивание рабочих поверхностей зубьев |
Закалка, наплавка зубьев твердыми сплавами Т-540, Т-590, Т-620 |
Валы и оси |
Деформация изгиба и кручения, износ опорных поверхностей |
Углеродистые стали марок Ст3Ст5 и качественные марок от 25 до 45; легированные стали, модифицированные чугуны |
Усталостные изломы, изнашивание и задиры цапф, заедание
|
Уменьшение влияния концентраторов напряжений, шлифование цапф по всей длине, поверхностный наклеп галтелей, поверхностная закалка, азотирование |
Звенья гусениц самоходных машин |
Контактные нагрузки, трение качения с проскальзыванием, наличие абразива и агрессивной влаги в зоне трения
|
Аустенитная высокомарганцовистая сталь марки 11ЗЛ, перлитная сталь 35Л, 45Л, сталь 20ХГСНМ |
Изнашивание проушин цевок и беговой дорожки, усталостные разрушения |
Закалка и отпуск беговых дорожек, наплавка вольфрамовыми сплавами |
Втулки звеньев гусениц самоходных машин |
Сухое трение при высоких удельных давлениях и ударных нагрузках при наличии абразива н влаги
|
Цементируемые стали марок 20Г или 20Х |
Изнашивание в местах трения
|
Цементация с последующей закалкой и отпуском |
Коленчатый вал двигателя |
Периодические нагрузки, вызывающие временные напряжения, трение шеек о вкладыши подшипника
|
Отливки из высокопрочного или перлитного ковкого чугуна, стали 35Г, 40Г, 40ХГМ, 40ХН, 30ХМА, 20ХНЗА, 40ХЗМЮ, 38ХМЮА |
Изнашивание шеек, прогиб или усталостный излом |
Поверхностная закалка, азотирование шеек, накатка роликами галтелей |
Зубья ковшей экскаваторов, била молотковых дробилок Червяк и червячное колесо червячной передачи |
Изнашивание об абразивный грунт, динамические нагрузки при ударах о грунт
Скольжение витков червяка по рабочим поверхностям зубьев червячного колеса, изгиб зубьев червячного колеса
|
Износостойкая, самонаклепывающаяся сталь Г13Л
Червяки - углеродистые или легированные стали; червячные колеса - бронзы Бр0Ф10-1, БрАЖ9-4, серые чугуны С-415-52. С421-40
|
Изнашивание и затупление режущей кромки
Заедание, изнашивание рабочих поверхностей, пластические деформации и излом зубьев червячного колеса |
Закалка, наплавка ХА2В1Ф, У15Х15С2, Г13Н3, У30Х30Н4С4
Закалка или цементация рабочих поверхностей витков червяка |
Болты и шпильки резьбов. соединений, собираемых с предварительной затяжкой и нагруженных силами, вызывающими переменные напряжения |
Статические напряжения от предварительной затяжки и переменные напряжения во время работы
|
Стали углеродистые качественные марок от 10 до 45, стали конструкционные хромистые марок 35Х, 40Х, 45Х
|
Усталостные изломы, деформация
|
Уменьшение концентрации напряжений, уменьшение жесткости болта, накатка резьбы роликами |
Передняя стенка (козырек) ковша экскаватора
|
Трение об абразивный грунт, динамические нагрузки при ударах о камни
|
Износостойкая сталь Г13Л или 30ГЛ
|
Затупление режущей кромки |
Закалка, наплавка |