Equipment and method for carrying out of accelerated comparative tests for wear resistance of steels operating in soil medium

Full Text

Введение Исследования на абразивное изнашивание в лабораторных условиях дают возможность оценить пригодность материалов, подвергшихся тому или иному упрочняющему воздействию, к эксплуатации в абразивной среде, не прибегая к трудоемким и дорогостоящим натурным испытаниям. Это особенно важно при разработке технологий изготовления, восстановления и упрочнения деталей, используемых в условиях интенсивного воздействия почвы, представляющей собой незакрепленный абразив. К таким изделиям прежде всего относятся рабочие элементы почвообрабатывающих машин: плужные лемехи, отвалы, полевые доски, культиваторные лапы и др. Однако известные методологии таких испытаний зачастую не охватывают весь комплекс изучаемых вопросов [1-3], что приводит к получению результатов невысокой степени достоверности. К таким исследованиям относятся и сравнительные испытания сталей, подвергнутых термоупрочняющей обработке, с различными параметрами режима. Необходимость совершенствования методов и устройств для изучения процесса износа обусловлена также недостаточным раскрытием проблемы абразивостойкости сталей после термоупрочнения [4, 5]. Цель исследования Одна из главных сложностей заключается в необходимости сохранения параметров эксперимента постоянными для всех изучаемых материалов за весь период его проведения. Идентичности опытов и сравнимости данных можно достичь в том случае, если вся совокупность образцов будет находиться одновременно в одинаковых условиях. Однако изменение свойств абразивной массы в функции времени испытаний делает практически невозможным получение достоверных и сравнимых экспериментальных результатов при использовании известных методов и оборудования [2], так как каждый последующий образец трассируется уже в измененной среде истирания после ее контактирования с предыдущим образцом. Для решения поставленной задачи необходимо соблюдение ряда условий: - одновременное испытание группы сталей с различной твердостью Н, которая служит критерием стойкости к абразивному изнашиванию; - сохранение идентичности условий испытаний за счет одинаковых свойств абразивной среды в зоне контактирования для всех иcпытуемых материалов в любой момент времени эксперимента; - значительное сокращение времени проведения испытаний в сравнении со стендовыми или натурными. Для проведения испытаний требуется, чтобы все экспериментальные образцы были закреплены в диаметрально противоположных местах на одном основании, помещены в абразивную среду и перемещались по круговой траектории. Это позволит исследовать одновременно и в одинаковых условиях стали нескольких уровней твердости. Обоснование конструкции приспособления Как показал ряд предварительных опытов, в лучшем варианте конструкции остов с закрепленными на нем экспериментальными образцами имеет форму цилиндра. Испытания проводятся путем его вращения в абразивной среде по вертикальной оси. Принципиально предлагаемая схема напоминает устройство хонинговальной головки для обработки гильзовых втулок двигателей внутреннего сгорания. Форма и размеры остова диктуются геометрическими параметрами образцов и условиями их крепления, соблюдением условия жесткости, возможностью соединения с различными оправками и многоразового использования. Остов изготавливается из стали в форме цилиндра высотой 60 мм и диаметром 80 мм со сквозной резьбой М20 для соединения с оправкой и выполненными на поверхности по высоте пятью пазами шириной 25 мм и глубиной 3 мм для крепления опытных образцов (рис. 1, а), что отвечает оговоренным выше требованиям. Оправка представляет собой конус Морзе с резьбой на одном конце (рис. 1, б). Номера конусов могут быть различными в зависимости от размеров шпинделя станка. Наличие конуса позволяет закреплять собранное приспособление в шпинделе фрезерных или сверлильных станков. Резьба используется для сборки с остовом. Образцы представлены в виде пластин шириной 24 мм, толщиной 8 мм и длиной 60 мм, равной высоте остова (рис. 2). То, что их ширина несколько меньше ширины пазов на остове, объясняется возможностью беспрепятственного расширения при нагревании в период проведения эксперимента. Площадь поверхности контактирования образца с абразивом позволяет максимально полно реализовать механизм абразивного изнашивания. Толщина 8 мм обеспечивает расположение пластин в пазах выше поверхности остова примерно на 6 мм. Такая высота создает оптимальные условия для подготовки остова с закрепленными образцами к проведению эксперимента и его реализации и позволяет избежать заметного износа остова, обеспечивая его неоднократное использование. Контрольные эксперименты показали, что истирания остова не происходит даже при большом количестве испытаний (20 циклов), что подтверждено неизменностью диаметров лунок, расположенных в различных областях его поверхности. Наличие торцевых пазов у пластин (см. рис. 2) способствует увеличению прочности сцепления образца с остовом в случае клеевого соединения и увеличивает отвод теплоты, возникающей при проведении испытаний вследствие трения образцов об абразив. Эксперименты, проведенные с приклеенными образцами без пазов, показали, что нередко происходит их отслаивание. Пластины приклеивали в пазы остова с помощью эпоксидного состава, включавшего 100 массовых частей эпоксидной смолы ЭД-18 и 10 массовых частей полиэтиленполиамина (отвердителя). Отверждение клеевой массы осуществляли в естественных условиях в течение 48 ч, после чего удаляли ее заполимеризовавшиеся остатки. После приклеивания и отверждения полученную конструкцию по геометрическим параметрам нельзя считать пригодной для проведения качественных испытаний (рис. 3, а). Использование конструкции в таком виде приведет к существенным затратам времени на образование цилиндрической формы образцов и приработку, а также к полной потере свойств абразивного компонента. Поэтому для доводки конструкции проводили точение и шлифование с целью придания сферического профиля контролируемым поверхностям пластин (рис. 3, б). Опытные образцы нумеровали путем сверления от одной до пяти лунок диаметром 3 мм на торцевой поверхности остова напротив исследуемых пластин (рис. 4). Собранное устройство может быть закреплено в шпинделе сверлильного или вертикально-фрезерного станка. Отработка техники испытаний Изнашивание образцов происходит при вращении подготовленного приспособления в абразивном материале в установленной на станине станка емкости (см. рис. 4). Частота вращения варьируется при помощи коробки передач. Частота вращения приспособления, обеспечивающая максимально возможную интенсивность изнашивания при минимальном времени проведения испытаний, для заданного состава абразивной среды устанавливается опытным путем. При отработке оптимальных параметров испытаний частота вращения n шпинделя станка изменялась от 500 до 1000 мин-1. Выявлено, что с увеличением n время проведения испытаний уменьшается. Оптимальная частота вращения составила 700-800 мин-1, при этом время эксперимента не превышает 40 мин. Замечено, что n ˃ 800 мин-1 приводит к непропорциональному росту скорости изнашивания исследуемых материалов, поэтому дальнейшее увеличение частоты вращения нецелесообразно. Данные по параметрам испытаний приведены для абразивной среды, состоящей из строительного песка и гранитной крошки с размером частиц 2-6 мм. Нужно отметить, что количественный состав абразива в целом определяется условиями эксперимента. Степень абразивности среды можно задавать в зависимости от цели испытаний. Повышение изнашивающей способности абразива ведет к сокращению времени эксперимента. Силовое воздействие на изучаемый образец создается за счет находящегося над ним объема абразивного материала. В процессе испытаний образец периодически извлекали из емкости с абразивным компонентом для фиксации динамики износа. Износ опытных образцов контролировали при помощи часто применяемой конструкции из опор (призм), на которые устанавливали приспособление с опытными образцами, и стойки с микронным индикатором (рис. 5). Измерения вели из одного положения. Дополнительный контроль износа можно осуществлять и другими методами, например способом лунок. Выводы Таким образом, разработанные методика и оборудование позволяют проводить испытания на изнашивание с решением ряда задач, в числе которых: - обеспечение ускоренного изучения абразивной стойкости не менее пяти образцов с разной твердостью; - проведение исследований одновременно для всех опытных материалов в одинаковых условиях с обеспечением достоверности и сравнимости результатов в любой момент времени; - универсальность методологии; - возможность использования абразивной среды любого состава; - простота конструкционного исполнения и проведения эксперимента.

About the authors

A. M Mikhal'chenkov

All-Russian Research Institute of Technology for Repair and Maintenance of Machine and Tractor Fleet

Email: mihalchenkov.alexandr@yandex.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

V. A Denisov

All-Russian Research Institute of Technology for Repair and Maintenance of Machine and Tractor Fleet

DSc in Engineering Moscow, Russia

A. A Novikov

Bryansk State Agrarian University

Email: alexandr-32rus.novikov@yandex.ru
Engineer Kokino, Bryansk region, Russia

References

Supplementary files