Повышение износостойкости деталей и инструментов деревоперерабатывающего оборудования

Рассмотрены возможности повышения износостойкости деталей машин, оборудования и режущего инструмента на основе комплексных подходов, включающих конструкторско-технологические и эксплуатационные мероприятия с учетом особенностей изнашивания изделий в конкретных условиях их работы. Представлен обзор результатов теоретических и прикладных исследований выполнявшихся в течение ряда лет.
 
Перспективы развития и обеспечения конкурентоспособности предприятий лесного комплекса неразрывно связаны с необходимостью повышения работоспособности используемой техники и достижения тем самым условий для осуществления высокопроизводительной заготовки и переработки древесины за счет увеличения надежности используемых машин. Поэтому достижение высокой эксплуатационной надежности рассматриваемой техники является актуальным как при разработке новых перспективных образцов техники, так и при модернизации машин уже осуществляющих технологический процесс на промышленных предприятиях.
По многим литературным и производственным данным, уровень надежности машин и инструментов в значительной степени определяется показателями износостойкости ряда ответственных узлов машин и инструментов, применяемых при осуществлении
технологических операций. Наиболее эффективным для повышения их износостойкости является использование комплексных подходов, включающих конструкторско-технологические и эксплуатационные мероприятия, в полной мере учитывающие особенности изнашивания изделий в конкретных условиях их работы, а именно динамикоскоростной характер нагружения, особенности температурного воздействия, наличие активных химических и абразивных сред, и многие другие факторы.
Материалы, представленные в настоящей статье, являются результатом исследований,
выполнявшихся в Брянской государственной инженерно-технологической академии и в Брянском государственном техническом университете в течение ряда лет и частично представленных в многочисленных описаниях изобретений и патентов, публикациях, приведенных в прилагаемом библиографическом списке, а также в докторских и кандидатских диссертациях.
Основными объектами указанных исследований являлись исполнительные рабочие органы машин, различные инструменты и детали неподвижных разъемных соединений, широко представленные в конструкциях лесозаготовительного и деревоперерабатывающего оборудования. Для решения задач повышения их износостойкости и оптимизации других триботехнических параметров теоретически и экспериментально устанавливались закономерности фрикционного взаимодействия сопрягаемых поверхностей, оценивалось влияние на протекание процессов поверхностного разрушения микро- и макрогеометрии поверхностных слоев, физикохимических свойств используемых материалов и ряда других факторов. При этом рассматривались не только исходные свойства материалов, но и особенности их
трансформации в процессе контактного взаимодействия, приводящей либо к структурной приспосабливаемости и повышению за счет этого сопротивляемости изнашиванию поверхностей, либо, наоборот, к разупрочнению поверхностных слоев и их ускоренному разрушению.
С учетом полученной информации ставились и решались научно-технические задачи комплексного обеспечения повышенной работоспособности изделий на основе направленной оптимизации конструкторских и технологических решений, способствующих минимизации изнашивания функциональных поверхностей инструментов и деталей машин.
 
Создание и использование новых упрочняющих технологий
для повышения износостойкости дереворежущих инструментов
и рабочих органов лесозаготовительных и деревоперерабатывающих
технологических машин
 
Для разработки новых и обеспечения возможности эффективной модернизации существующих процессов упрочняющей обработки были выявлены механизмы и установлены теоретические закономерности протекания изнашивания рассматриваемых
объектов. Далее были разработаны модели реализации процессов поверхностного и микро-объемного разрушения режущих устройств, в основу которых были положены основные закономерности механики хрупкого разрушения, коррозионно-механического, усталостного и водородного видов изнашивания. Также были использованы современные
синергетические подходы создания прогностических оценок закономерностей изнашивания. Использование полученных зависимостей позволило выработать основы проведения мероприятий по минимизации износа дереворежущих устройств
[3, 4, 8, 9 и др.]. Анализ разработанных моделей изнашивания указанных устройств и результаты проведенных нами экспериментальных исследований показали, что наибольшей эффективностью в плане повышения износостойкости обладают комплексные упрочняющие обработки, сочетающие, наряду с выбором оптимальных конструкционных или инструментальных материалов, совместное или последовательное энергетическое воздействие на формируемые функциональные поверхности. При этом наиболее эффективным является использование концентрированных потоков энергии
[3, 5]. В качестве высокоэнергетических источников создания таких потоков рационально использовать лазерное, плазменное и электроискровое воздействие. В ряде случаев после их реализации целесообразным является выполнение дополнительных финишных операций абразивной обработки или поверхностное деформирование, которые могут существенно улучшить достигаемые показатели работоспособности. Для надежной оценки результатов такого рода упрочняющих обработок чрезвычайно важно использовать эффективные методы испытаний и соответствующее лабораторное оборудования.
Поэтому одной из важных задач постановки исследования являлась разработка и применение новых методов исследований: а.с. 1658024 СССР, пат. 2323428 РФ, [3, 7, 8 и др.]. Созданные нами методики и техника испытаний успешно использовались нами при изучении возможностей и эффективности предложенных упрочняющих технологий.
При разработке таких технологий полагалась необходимым формирование благоприятных уровней микротвердости и пластичности поверхностных функциональных слоев, повышение сопротивляемости развитию микротрещин в зоне режущего лезвия, увеличение стойкости к действию активных сред, в том числе водорода, оптимизация уровня остаточных напряжений, а также показателей микрорельефа поверхностей. Существенных результатов можно достигнуть также за счет снижения потерь на трение, возникающее при эксплуатации рассматриваемых режущих устройств, путем создания локальных антифрикционных поверхност ных слоев [6, 9 и др.]
Для достижения благоприятных уровней указанных выше параметров был предложен ряд новых способов упрочняющей обработки, в основу которых было положено лазерное воздействие: а.с. 1481259 СССР, а.с. 1739642 СССР, пат. 2058400 РФ, пат. 2162111 РФ, пат. 2186670 РФ и др. Достигаемые результаты по формированию благоприятных уровней состояния поверхностных слоев дереворежущих устройств и их технико-экономическая эффективность подробно описаны в публикациях [4, 5 и др.]. Существенное повышение износостойкости поверхностей, подвергаемых лазерному упрочнению, может быть достигнуто за счет дополнительного магнитного воздействия в зоне действия луча вследствие формирования в функциональных слоях ориентированных анизотропных структур: пат. 2162111РФ, пат. 2186670 РФ, пат. 2238986 РФ, пат. 2224826 РФ [5, 10].
Следует отметить также высокую степень повышения износостойкости дереворежущих устройств за счет упрочняющего воздействия на функциональные поверхности электрических разрядов. Однако при реализации этого способа по известным схемам обработки далеко не всегда обеспечивается получение желаемых результатов, прежде всего, по причине неблагоприятного уровня шероховатости, малой сопротивляемости действию активных сред и ряда других причин. Для исключения этих недостатков электроискрового упрочнения были предложены новые способы его реализации: а.с. 1259147 СССР, а.с. 1369115 СССР, [4]. В частности, использование некоторых тугоплавких металлов в качестве электродов позволило существенно повысить сопротивляемость упрочненных поверхностных слоев действию активных сред при обработке древесины и древесных материалов, а также снизить величину их шероховатости и уровень дефектного состояния.
Весьма перспективным является сочетание легирующего действия электроискровых разрядов с деформационным воздействием твердосплавных роликов. Повышенная износостойкость поверхностей, упрочненных таким образом, связана с тем, что деформация, непосредственно следующая за упрочняющим разрядом (электродеформационная обработка), позволяет в существенной степени избегать в поверхностных слоях опасных микротрещин и достигнуть дополнительного эффекта термомеханического упрочнения. Эластичное шлифование поверхностей, подвергнутых электроискровому упрочнению, позволяет в существенной степени оптимизировать
совокупность параметров микрорельефа получаемых поверхностей, а также обеспечить удаление дефектного поверхностного слоя и за счет этого повысить износостойкость и снизить энергозатраты на трение в процессе эксплуатации упрочненного инструмента. Аналогичные результаты достигаются и при алмазном выглаживании поверхностей
после их электроискрового упрочнения.
Важнейшей задачей является повышение износостойкости инструментов и рабочих органов при эксплуатации их в условиях действия низких климатических температур.
Необходимость решения этой задачи обусловила создание новых методик проведения низкотемпературных исследований на изнашивание, в том числе необходимость их государственной стандартизации, выбор перспективных материалов для изготовления рабочих органов и инструментов техники северного исполнения и способов их
упрочняющей обработки [6–9].
 
Повышение работоспособности неподвижных разъемных соединений
 
К неподвижным разъемным соединениям относятся уплотнительные элементы, детали арматуры и соединительные части трубопроводов, крепежные соединения, посадки подшипников качения, различного рода переходные посадки и некоторые другие аналогичные конструкции. В этих соединениях должна обеспечиваться точность взаимного положения деталей в процессе их работы, а также выполнение ими ряда функциональных требований, таких как недопущение смещений деталей относительно друг друга, жидкостная и газовая герметичность и т.д. Характерной особенностью эксплуатации таких соединений является то, что их контактирующие поверхности испытывают очень малые относительные микроперемещения, поэтому их следует рассматривать лишь как условно неподвижные. Таким образом, они представляют собой особый вид трибосопряжений, для которых характерны высокие удельные нагрузки, малые скорости и перемещения, что обусловливает характер их изнашивания, который классифицируется как фреттинг-коррозия.
Среди параметров, обеспечивающих работоспособность условно неподвижных соединений, важными являются физико-химические характеристики материалов соединяемых деталей, их макро- и микрогеометрия, а также параметры внешнего силового, скоростного и температурного воздействия, наблюдающиеся в процессе эксплуатации рассматриваемых изделий. К существенным факторам, обеспечивающим стабильность работы таких соединений, относится и коэффициент трения, реализующийся на площадках фрикционного контакта сопрягаемых поверхностей. Его величина, в частности, определяет прочностные показатели рассматриваемых соединений.
В процессе эксплуатации на показатели работоспособности этих соединений существенное влияние оказывает наличие различных промежуточных слоев между функциональными поверхностями сопрягаемых деталей. В качестве таких слоев могут выступать специально создаваемые тонкие металлические или полимерные покрытия, которые в существенной степени способствуют регламентируемой трансформации физико-химических характеристик исходных поверхностей и изменению их функциональных показателей, в том числе обеспечивают частичную или полную замену внешнего трения на поверхностях деталей на внутреннее в создаваемых промежуточных слоях. Для решения задачи формирования защитногерметизирующих промежуточных слоев весьма перспективным является возможность направленного создания на функциональных поверхностях неподвижных соединений защитных пленок, называемых сервовитными. Такие пленки обладают особой структурой, образующейся и существующей в процессе трения, вследствие протекания в зоне фрикционного контакта сложных физических и химических явлений [1, 2 и др.].
Характерной особенностью таких слоев является то, что при эксплуатационном деформировании они не разрушаются. Это связано с тем, что действующие на соединение нагрузки локализируются в образовавшемся промежуточном слое, покрывающим микронеровности и волны поверхностей трения стальных деталей, которые вследствие реализации указанного явления практически не участвуют в процессе микротрения, а основные трибологические явления развиваются в самой сервовитной пленке. В этих условиях мягкий материал, нанесенный на рабочую поверхность одной детали, взаимодействует с покрытием, нанесенным на соответствующую поверхность другой. Поэтому нагрузка достаточно равномерно распределяется по всей поверхности контактного взаимодействия. Это способствует повышению уровня эксплуатационных
характеристик и продлению ресурса работы узла, в котором реализуются явления контактного взаимодействия при наличии промежуточных слоев. Сервовитная пленка может образовываться в соединении сталь – сталь, как при трансформации структуры специально наносимых медесодержащих покрытий, так и при введении в контакт еталлоплакирующих материалов, содержащих мелкие частицы меди, бронзы, латуни, свинца, серебра и др.
Создание условий для обеспечения формирования защитных промежуточных слоев может
быть достигнуто и при контактировании стальных поверхностей с медноторопластовыми композитами при трении без смазочного материала за счет образования координационных соединений с двухвалентной медью. Анализируя явления, протекающие на фрикционном контакте, можно полагать, что материал сервовитной пленки находится в состоянии, подобном квазирасплаву. Такая пленка имеет малое сопротивление сдвигу и обеспечивает относительные микроперемещения контактирующих деталей без образования повреждений.
То есть трение в таких условиях может быть представлено как относительные колебательные перемещения поверхностей, разделенных квазижидкой пленкой, образующейся за счет направленного структурирования металла, создаваемых исходных
покрытий. Кроме того, исключительно пластичный материал в условиях такого рода контактного взаимодействия обладает способностью, перемещаясь в пределах контактной зоны, устранять возможные места протекания рабочей среды (жидкости или газа), заполняя поры, капилляры и другие пустоты. Для обеспечения заполнения дегерметизирующих пустот требуется создание пленок, по толщине превышающих 4…5 мкм, а также обеспечить возможность перемещения в контактной зоне материала, наносимого на функциональные поверхности. Для формирования функционального защитного герметизирующего промежуточного слоя возможно использование различных способов нанесения исходных покрытий на поверхности, образующие соединение. Наиболее перспективным для достижения поставленной цели является предложенный нами способ, сочетающий химическое осаждение на охватываемой поверхности
и газопламенное напыление на охватывающей.
После нанесения указанных покрытий на контактирующие детали необходимо выполнять приработку, позволяющую осуществить совместную направленную реструктуризацию материалов с образованием функционального промежуточного слоя. Такая приработка, выполняемая применительно к неподвижному герметизирующему соединению штуцериппель силовой гидравлической системы, представлена на рис. 1. В процессе выполненных исследований были установлены рациональные режимы указанной приработки, включающей возвратно-вращательное перемещение на 3…5 оборотов в каждую сторону, и осциллирующее движение с частотой 10…12 Гц на угол 3…5° при приложении осевой нагрузкой 30…50 Н в течение 8–12 минут. – возвратно-вращательное перемещение, 2 – угловое осциллирующее перемещение, Р – осевая нагрузка
Проведенные нами лабораторные исследования и производственные испытания показали, что работоспособность по показателям износостойкости и герметичности соединений, сформированных предложенным способом, существенно повышается по сравнению с другими видами упрочняющей обработки.
 
Оптимизация геометрии рабочих органов и инструментов
 
При применении конструкционных методов повышения работоспособности узлов машин
и инструментов, используемых при лесопилении и деревопереработке, важную роль играет задание рациональной геометрической формы функциональных поверхностей. Целесообразность такого подхода подтверждают результаты исследований, выполненных применительно к вальцовым подающим механизмам лесопильного оборудования,
направляющим устройствам пильных цепных аппаратов, некоторым конструкциям дереворежущих инструментов.
В результате анализа работы подающих вальцов лесопильного оборудования было установлено, что эффективность их работы в основном определяется показателями износостойкости шипов. Износ рабочих элементов вальцов приводит к уменьшению степени сцепления шипов с древесиной, их проскальзыванию и потере вследствие
этого подачи бревен. Это приводит к снижению точности получаемых изделий и интенсификации изнашивания используемых инструментов. При этом отмечается, что в результате изнашивания шипов значительно изменяется их исходная геометрическая форма. Учитывая стабильность формирования эксплуатационной геометрии изнашиваемых поверхностей шипов, полагалось, что существует форма шипа, при задании которой износ боковых поверхностей в различных ее точках будет примерно одинаков, что позволит минимизировать общую величину износа. Для расчета благоприятной геометрии шипа подающего вальца был использован принцип оценки
минимума производства энтропии, а механической моделью изнашивающей среды была принята реологическая модель, состоящая из последовательно соединенных моделей упругого тела Гука и эластического тела Кельвина [2, 11]. В результате теоретически была установлена приближенная геометрия шипа, к которой стремится поверхность при контакте с древесиной в процессе эксплуатации подающих вальцов и их изнашивания.
Задание при изготовлении такой формы позволяет сократить энергозатраты при перемещении заготовки и повысить ресурс работы шипов. В данном случае, помимо конструкционных путей повышения износостойкости шипов, чрезвычайно важен целесообразный выбор марки материала и его упрочняющей обработки. Учитывая
требования, предъявляемые к материалу шипов по изгибной прочности и ударной вязкости, было предложено для изготовления шипованых колец использовать высокопрочный чугун с шаровидным графитом, обеспечивающий в сочетании
с высокой прочностью достаточную пластичность и вязкость, а также повышенную сопротивляемость действию активных сред, например, такими свойствами обладает высокопрочный чугун марки ВЧ60.
В качестве упрочняющей обработки было обосновано применение поверхностной закалки с нагревом токами высокой частоты, которая обеспечивает формирование перлитноартенситной структуры на глубину, равную допустимой величины износа рабочих поверхностей шипов. Для подтверждения целесообразности предлагаемых научно-инженерных решений и уточнения теоретических предпосылок о рациональной
форме шипов были выполнены экспериментальные исследования, которые показали, что шипы с параболической формой боковых поверхностей, помимо повышенной износостойкости, отличаются более высокими значениями коэффициента сцепления по сравнению с шипами, выполненными в форме трехгранной и четырехгранной пирамид.
Производственные испытания шипованых колец подающих вальцов проводились при установке их в нижних подающих вальцах лесопильной рамы. Отмечено, что благодаря предложенной геометрии шипов резко снижаются случаи проскальзывания
распиливаемых бревен в подающих вальцах, а срок службы опытных образцов шипованых колец подающих вальцов оказался в 1,7…1,8 раза выше, чем серийных.
Аналогичные задачи решались для повыше ния износостойкости направляющих устройств цепных пильных аппаратов мотоинструмента и многооперационных лесозаготовительных машин. В данном случае позитивный эффект был достигнут за счет минимизации действующих динамических нагрузок, что обеспечивает снижение
интенсивности изнашивания за счет меньшего проявления склонности к хрупкому разрушению используемых конструкционных материалов. Также было установлено, что повышение износостойкости деревообрабатывающих фрез с плоскими режущими ножами может быть достигнуто за счет изменения их макрогеометрии путем использования специальных устройств. Эти устройства обеспечивают упругую деформацию режущих ножей в процессе работы и приводят к созданию благоприятного уровня технологических напряжений сжатия в зоне режущей кромки [9 и др.].
В целом, выполненный обзор показывает, что наиболее эффективные решения задач повышения работоспособности машин и оборудования лесного комплекса могут быть достигнуты только за счет комплексного использования современных инновационных технологий, для чего на всех стадиях подготовки к производству новой продукции необходима направленная проработка всех возможных путей повышения качества и конкурентоспособности создаваемой техники.