Повышение износостойкости защитных втулок консольных насосов электромеханической поверхностной закалкой

Актуальность темы исследования. Развитие научно-технического прогресса связано с созданием новой техники и особую важность приобретают вопросы надежности и долговечности машин и механизмов, экономного использования материалов и энергии. Решение этой проблемы связано с обеспечением эффективной защиты поверхностей деталей от изнашивания. Консольные насосы являются широко распространенными видами насосов, используемыми в системах полива и ирригации, водоснабжении агропромышленных комплексов (АПК). Анализ технологических процессов изготовления на предприятиях производства консольных насосов показывает, что большинство защитных втулок выходит из строя по причине износа поверхности. При этом снижаются коэффициент полезного действия (КПД), точность, экономичность, надежность и долговечность насосов. Затраты на ремонт, техническое обслуживание и замену втулок в несколько раз превышают их стоимость. Причинами быстрого износа поверхности могут быть: низкое качество изготовления защитных втулок, необоснованный выбор материалов для их изготовления, малоэффективные технологии их упрочнения, не учитывающие условия эксплуатации и виды трения с сальниковой набивкой. Одним из направлений повышения износостойкости стальных деталей является увеличение поверхностной твердости и формирование мелкодисперсной мартенситной структуры. Одной из основных мер для повышения износостойкости и продления срока службы втулок защитных является использование прогрессивных методов поверхностного упрочнения. К таким технологиям относятся методы поверхностной закалки, химико-термической обработки, поверхностного пластического деформирования и другие. Однако недостатками каждой из перечисленных технологий упрочнения является дороговизна оборудования, высокие требования к условиям производства, что не позволяет использовать многие из известных методов упрочнения на малых ремонтных предприятиях и на предприятиях мелкосерийного производства. Особенно во Вьетнаме, где находится много малых и средних предприятий, которые не могут инвестировать в дорогостоящее современное техническое оборудование. Поэтому задача технологического обеспечения и повышения износостойкости защитных втулок с применением эффективной обработки является актуальной и имеет большое значение. Степень разработанности темы. Методам повышения качества деталей сельскохозяйственной техники уделено внимание в работах М.Н. Ерохина, А.С Дорохова, В.А. Денисова, В.М. Кряжкова, О.А. Леонова, A.B. Поляченко, Н.Р. Адигамова, Е.А. Пучина, М.Н. Фархшатова и других ученых. Обзор современных технологий ремонта машин, восстановления и упрочнения деталей, анализ их преимуществ и недостатков позволяет рекомендовать технологию электромеханической обработки, и в частности: электромеханическую поверхностную закалку (ЭМПЗ), как один из эффективных способов повышения износостойкости тонкостенных втулок. ЭМПЗ, как способ формирования износостойких поверхностей, основана на сочетании термического и силового воздействия на поверхностный слой обрабатываемой детали. Это вызывает улучшение физико-механических и геометрических характеристик поверхностного слоя деталей, приводит к повышению износостойкости. Такая технология может быть доступна предприятиям любого уровня и характеризуется простотой и универсальностью осуществления, незначительными материальными затратами на приобретение и обслуживание техники, низкой энергоемкостью при достижении необходимого качества деталей машин. Далеко не последнюю роль в выборе методов обработки отводится технологической безопасности и экологической чистоте процесса. В данной работе представлено исследование технологии электромеханической поверхностной закалки и её применение для обработки исполнительных поверхностей защитной втулки консольных насосов из железоуглеродистых сплавов. Цель исследования. Повышение долговечности консольных насосов за счет увеличения износостойкости исполнительных поверхностей защитных втулок электромеханической поверхностной закалкой. Задачи исследования. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи: 1. На основе анализа условий эксплуатации и характерных дефектов предложить способ упрочняющей обработки защитных втулок консольных насосов, обеспечивающий сочетание требуемой надежности, технологичности и производственной себестоимости. 2. Исследовать влияние режима ЭМПЗ на структурные превращения и микротвердость упрочненных слоев защитных втулок, изготовленных из сталей 40Х, 40Г, 45, У8, ШХ15 и чугуна СЧ35. 3. Подобрать режимы ЭМПЗ и исследовать их влияние на повышение износостойкости в контакте с сальниковой набивкой. 4. Установить закономерности формирования температурных полей при ЭМПЗ наружных поверхностей защитных втулок. 5. Провести износные испытания защитных втулок и обосновать эффективность применения ЭМПЗ. 6. Разработать и рекомендовать сельскохозяйственному ремонтному производству технологию ЭМПЗ защитных втулок консольных насосов. Провести оценку экономической эффективности внедрения ЭМПЗ. Объект исследования. Технология упрочнения наружной поверхности защитных втулок консольных насосов электромеханической поверхностной закалкой. Предмет исследования. Закономерности формирования упрочненных слоев, полученных на наружных поверхностях защитных втулок консольных насосов. Научная новизна: 1. Установлены взаимосвязи параметров электромеханической поверхностной закалки с характеристиками упрочненных слоев поверхности защитных втулок. 2. Рассчитано оптимальное температурное поле в зоне упрочнения. Исследовано влияние усилия поджатия инструмента на изменение точности и шероховатости защитных втулок. 3. Определены оптимальные режимы электромеханической поверхностной закалки наружной поверхности защитных втулок с формированием благоприятных микроструктур. Теоретическая и практическая значимость работы. Проведен анализ современных cпособов упрочнения деталей. Отмечена эффективность применения технологии ЭМПЗ для повышения износостойкости. Усовершенствованы технология, оборудование, инструментальная оснастка, позволяющие на универсальных токарно-винторезных станках производить ЭМПЗ наружной поверхности для повышения износостойкости защитной втулки консольного насоса. Рациональный вариант технологии используется для создания более качественных и конкурентоспособных насоссов. Испытания на износ показали, что износостойкость поверхностного слоя втулок после ЭМПЗ увеличилась для стали 45 в 3,1 раза, для У8 в 1,9 раза, для ШХ15 в 2,5 раза, для чугуна в 1,9 раза по сравнению с исходными значениями. Работа посвящена актуальной проблеме разработки и применения технологии электромеханической поверхностной закалки для повышения износостойкости тонкостенных изделий. Полученные в работе результаты исследований используются в Академии Технологии (Ханой, Вьетнам) в процессе обучения и подготовки специалистов для народного хозяйства и при производстве тонкостенных втулок с повышением физико-механических свойств поверхностного слоя деталей. Методология и методы исследований. Выполнение работы базируется на расчетных теоретических и экспериментальных методах исследования. Использованы основные положения технологии машиностроения. Аппроксимация экспериментальных данных выполнена при помощи программных средств, в том числе С++, Ansys, компьютерного моделирования. Для достижения поставленной цели и решения задач в работе были использованы следующие методы: фотоэлектрический спектральный анализ, дилатометрический металлографический и рентгеноспектральный анализ с использованием универсального лазерного атомно-эмиссионного спектрометра, рентгенофазовый дифрактометр ДРОН-4-07, сканирующий микроскоп TESCAN VEGA II LMH; измерение микротвердости с помощью микротвердомера DuraScan EMCOTEST; износные испытания с использованием специального приспособления и настольного токарного станка. Экспериментальные данные обработаны с использованием методов математической и компьютерной статистики, а также апробированных и аттестованных методик. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Обоснование необходимости в повышении износостойкости защитных втулок консольных насосов ЭМПЗ. 2. Методика определения глубины упрочненного слоя при ЭМПЗ. 3. Методика определения температурных полей в зонах упрочненной поверхности при ЭМПЗ. 4. Результат исследования микроструктуры и микротвердости упрочненных слоев защитных втулок. 5. Результат износных испытаний защитных втулок до и после ЭМПЗ. 6. Результат оценки экономической эффективности применения ЭМПЗ для упрочнения поверхности защитных втулок. Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов достигается использованием общепринятых достоверных методов, основанных на фундаментальных законах материаловедения и машиностроения. Статистическая обработка теоретических результатов подтверждается научными экспериментами в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на XXV международном симпозиуме “Технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред” имени А.Г Горшкова, 2019 г.; на III МНПК “Технология машиностроения и материаловедение”, НИЦ МС 2019 г.; на XII Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов “Будущее машиностроения России”, МГТУ им. Н.Э. Баумана 2019 и 2020 г.; на МНК “Современные материалы и передовые производственные технологии”, СПбПУ Петра Великого 2019 г.; на 10-й МНПК “Перспективное развитие науки, техники и технологий”, ЮЗГУ 2020 г.