2 Характеристика обрабатываемых изделий, условия работы и предъявляемые требования

В процессе эксплуатации детали металлургического оборудования испытывают различные напряжения при динамических, статических и знакопеременных нагруз­ках. Многие детали находятся под воздействием агрессивных сред, стационарных или циклически изменяющихся температур. Поэтому эксплуатационная надёжность деталей находится в прямой зависимости от их прочности, износостойкости, терми­ческой и коррозионной стойкости.

Необходимо правильно выбирать материал деталей, совершенствовать их конструкцию, устранять неточности сборки, улучшать методы термической обработки. В отдельных деталях необходимо исключить влияние концентраторов напряжений (особенно при действии ударных нагрузок) повысить износоустойчивость на рабочих участках детали.

Основную группу деталей специфицированной программы проекта термического подразделения составляют детали зубчатого зацепления.

Детали зубчатого зацепления очень распространены в металлургическом оборудовании. Массовое производство шестерён в настоящее время осуществляется, с применением высокопроизводительных методов зубонарезания и с использованием прогрессивных методов упрочнения, которые обеспечивают высокую прочность изделий, продолжительный срок их службы.

На рисунке 2.1 в качестве примера, представлена среднемодульная шестерня, сортамента МРК, применяемая в металлургических машинах и агрегатах. Работа шестерен сопровождается многими явлениями, влияющими на надежность и долговечность их в эксплуатации. При конструировании шестерен необходимо учитывать прочность зубьев в термически обработанном состоянии.

Рисунок 2.1 – Эскиз шестерни передаточной тележки (z=18,m=6)

Условия работы шестерён определяются их быстро­ходностью, уровнем контактных и изгибающих нагрузок.

В процессе эксплуатации зубья шестерён подвергаются:

а) изгибу при максимальном однократном нагружении (при торможении, закли­нивании, при приложении максимального крутящего момента);

б) износу боковых поверхностей (из-за попадания абразивных частиц, грязи, пыли в зону контакта), либо торцевых поверхностей зубьев (при переключении пе­редач в коробках передач).

в) изгибу при многократных циклических нагрузках, вследствие чего в корне зуба развиваются наибольшие напряжения, и может происходить усталостное раз­рушение;

г) контактным напряжениям на боковых рабочих поверхностях зубьев, приво­дящим к образованию контактно-усталостного выкрашивания.

При относительном скольжении в условиях недостаточной смазки, либо без смазки на рабочих поверхностях зубьев может происходить "схватывание" и обра­зование грубых задиров, приводящих к быстрому изнашиванию шестерён.

Таким образом, тяжелые условия работы в поверхностных слоях зубьев предъявляют повышенные требования к применяемым материалам и методам их обработки.

Износостойкость зубчатых передач определяется благоприятным сочетанием структуры и сложного комплекса свойств:

а) механических, т.е. высокого сопротивления удару при твердости 240-280 НВ, контактным и цикличе­ским напряжениям, изгибу; сочетанием высокой твёрдости и вязкости.

б) физических, т.е. высокой температуропроводности, высокой устойчивости фаз в широком интервале температур и давления;

в) физико-химических, т.е. устойчивости против коррозии.

Для крупномодульных и массивных шестерен, применяемых в металлургических машинах и агрегатах подвергаемых в обычно объемной термической обработке, без поверхностного упрочнения, на практике достигается более низкий уровень твердости 190 – 220 НВ. На рисунке 2.2 представлен эскиз зубчатого колеса.

Рисунок 2.2 - Эскиз зубчатого колеса m=10 z=75

Для деталей работающих в сложных условиях, например при работе шестерен с недостаточным количеством смазки или при попадании абразивных частиц на поверхность зуба т.е. в условиях, которые могут привести к быстрому износу детали, требуется поверхностное упрочнение.

Помимо шестерен большую группу деталей составляют осевые детали.

Осевые детали, горизонтальные и вертикальные имеются во всех видах оборудования. Валы, оси подвергаются разнообразным воздействием: знакопеременному нагружению, износу воздействию повышенных, часто колеблющихся температур. При работе валы могут нагружаться собственным весом, весом насаженной шестерни. В основном эти детали разрушаются от усталости, в то же время нередки разрушения от часто технологических и металлургических дефектов деталей: от имеющихся в осях и валах флокенов, неметаллических включений, а тек же от действия длительных и кратковременных нагрузок при эксплуатации. Валы и оси испытывают значительные изгибающие знакопеременные нагрузки, работают на кручение и изгиб.

К осевым деталям предъявляют следующие требования:

а) высокая выносливость при достаточной вязкости;

б) равномерная твердость;

в) хорошая прокаливаемость, необходимая для получения определенной глубины закаленного слоя;

г) высокая износостойкость рабочего слоя;

д) высокая контактная прочность рабочего слоя, стойкость против образования поверхностных дефектов, трещин, отслоений;

е) отсутствие флокенов, грубых скоплений карбидов, карбидной сетки, крупноигольчатого мартенсита и других дефектов;

ж) благоприятное распределение и минимальная величина остаточных напряжений по всему сечению вала после закалки, отпуска.

Чтобы валы и оси обеспечивали сочетание вязкости и пластичности, они должны иметь после объемной термической обработки твердость ≥ 220 НВ [9].

Длинномерные, крупногабаритные валы и оси не всегда получают полную прокаливемость после объемной термической обработки по всему сечению из-за наличия участков с большим диаметром. В результате в сердцевине вала получается твердость примерно 190 – 220 НВ. Тогда на поверхность, где происходит интенсивный износ, в частности под подшипниками скольжения, необходимо поверхностное упрочнение на твердость ≥45 HRC, на глубину от 0,4 до 12 мм. Это намного увеличит ресурс работоспособности вала, в сочетании вязкости сердцевины и повышенной твердости на поверхности. На рисунке 2.3 представлен эскиз оси барабана.

Рисунок 2.3 – Эскиз оси барабана главного подъема

Основная причина поломки осей – неудовлетворительные механические свойства металла. Они чаще всего различаются в поперечном направлении в месте перехода от шейки к телу оси.

Работоспособность валов малого диаметра, в основном определяется износостойкостью шеек и способностью противостоять усталостному разрушению при циклически изгибающих нагрузках. Для получения высокой износостойкости шеек после объемной термической обработки, необходимо обеспечить упрочнение на твердость ≥45 HRC, на глубину от 0,4 до12 мм [9]. На рисунке 2.4 представлен эскиз шлицевого вала.

Рисунок 2.4 – Эскиз шлицевого вала придаточной тележки

2.1 Характеристика обрабатываемых изделий

Таблица – 2.1 Характеристика обрабатываемых изделий

Наименование детали	Марка стали	Твердость поверхности, HRC	Твердость сердцевины, HВ	Структура	Глубина слоя, мм
Вал-шестерня m=16, z=15	40Х	40-45	260-280	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Колесо зубчатое m=10, z=75	38 ХМ	40-45	260-280	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Шестерня (z=18,m=6)	45	40-45	240-260	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Вал-шестерня m=6, z=24	40Х	40-45	260-280	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Колесо зубчатое m=6, z=76	38 ХМ	40-45	260-280	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Вал-шестерня m=20, z=15	40XH2MA	40-45	270-290	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Вал-шестерня m=4, z=20	40XH2MA	45-50	270-290	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Вал-шестерня m=6, z=14	45	40-45	240-260	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Зубчатое колесо (z=34,m=8)	45	35-40	240-260	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Втулка зубчатая	38 ХМ	40-45	260-280	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Втулка зубчатая	40ХН2МА	45-50	270-290	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Вал-шестерня m=16, z=8	38ХМ	45-50	260-280	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Втулка зубчатая	40ХН2МА	40-45	270-290	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Шестерня (z=16,m=6)	38ХМ	45-50	260-280	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Зубчатое колесо (z=14,m=4)	38ХМ	40-45	260-280	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Ось	40ХН2МА	45-50	270-290	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5

Продолжение таблицы 2.1

Ступица	45	35-40	240-260	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Вал шлицевой	45	35-40	240-260	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Вал	38ХМ	40-43	260-280	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Ось	38ХМ	47-52	260-280	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Ось	38ХМ	42-47	260-280	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Ось крюка	45	35-40	240-260	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Вал	38 ХМ	40-45	260-280	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Винт	40XH2MA	40-45	270-290	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Ролик	38ХМ	42-45	260-280	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Ось	38ХМ	40-45	260-280	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5
Ось барабана	45	35-40	240-260	Поверхность: М Сердцевина: С	3-5

Стали выбираются исходя из сечения изделия, чем больше сечение, тем легирование сталь.

Для диаметра до 35 мм – сталь 45;

от 35 до 120 мм – сталь 38ХМ;

от 125 до 300 мм – сталь 40ХН2МА [25].