Файл: Исследование самозатачивания зуба ковша экскаватора.pdf

©Д. Дэлэг, С. Ванчинжав,
Н. Пурэвдорж, 2008
Д. Дэлэг, С. Ванчинжав, Н. Пурэвдорж
ИССЛЕДОВАНИЕ САМОЗАТАЧИВАНИЯ ЗУБА
КОВША ЭКСКАВАТОРА
большинстве случаев землеройные машины предна- значены для высокопроизводительной работы в тяжелых условиях. Главным определяющим параметром этих машин явля- ется производительность, которую увеличивают, создавая весьма крупные машины и повышая единичную мощность и рабочие ско- рости существующих машин при неизменных их размерах, а также совершенствуя рабочие процессы.Совершенствование рабочего процесса, повышение производительности машин во многом явля- ется следствием увеличения энергии воздействия на разрушаемую среду. Однако некоторые исследователи считают, что сейчас прак- тически исчерпаны возможности такого увеличения при "статиче- ском" взаимодействии рабочего органа и среды. И далее констати- руют, что существующие машины, реализующие на рабочем орга- не усилия величиной в несколько сот килоньютонов, имеют значи- тельную массу и мощность двигателя. Дальнейшее увеличение этих показателей во многих случаях не приводит к росту экономи- ческой эффективности таких машин. Такой вывод справедлив, так как при копании на зубья ковша экскаватора передаются усилия, которые зависят, с одной стороны, от сопротивления грунта копа- нию, а с другой - от устойчивости машины.
Сопротивление грунта копанию зависит от свойств грунта и состояния рабочей части зубьев. С течением времени острие зуба затупляется, увеличиваются площадка износа и сопро-тивление ко- панию. Полный износ зубьев, как отмечал Ю.А. Ветров, происхо- дит уже после выработки 30-35 тыс. м
3
песчано-щебеночных грун- тов. При этом угол заострения зуба увеличивается в 2-2,5 раза, дос- тигая 65-70 0
вместо 26 0
у нового зуба, а рабочая длина уменьшается в 3-4 раза. Недостаточно эффективное использование землеройной техники в значительной степени объясняется интенсивным изна- шиванием рабочих органов. Поэтому исследователи большое вни-
В

мание обращают на создание износостойкого режущего элемента
(зуба). Увеличение износостойкости зуба приводит к тому, что экс- каватор работает при изношенных зубьях более длительный период времени. Это приносит еще больше отрицательных результатов, в конечном счете приводя к быстрому снижению ресурса машины в целом. Важным направлением в развитии землеройной техники яв- ляется совершенствование конструкций рабочего оборудования и рабочих органов, взаимодействующих с обрабатываемой средой. А для одноковшовых экскаваторов в этом направлении постоянно ве- дутся интенсивные исследования, как по совершенствованию кон- струкций, так и по созданию новых рабочих органов и зубьев ков- ша. Эти исследования также направлены на снижение энергоемко- сти, сбережение ресурса, повышение производительности экскава- торов и других их качественных показателей. Так, за счет оптими- зации конструкций рабочих органов экскаватора – ковшей, рабо- тающих по принципу механического разрушения грунта, за по- следние 30-40 лет удалось снизить энергоемкость рабочих процес- сов на 20-50 %, увеличить производительность машин на 15-40 %, существенно повысить долговечность зубьев и ковшей, а также разработать экономичные технологии их ремонта и восстановления работоспособности [1]. Найдены и получили достаточно широкое применение более износостойкие материалы для зубьев и ковшей, а также новые наплавочные и другие материалы для их ремонта и восстановления. Хотя эти достижения намного увеличивают срок службы рабочих органов, они не полностью исключают затупление зубьев, вызванное многократно увеличившимся сопротивлением грунта. На одноковшовых экскаваторах конструкции козырьков ковшей и зубьев, непосредственно соприкасающихся с грунтом при копании, в значительной степени унифицированы и в разных моде- лях экскаваторов различаются лишь размерами.
Для одноковшовых экскаваторов А.С.Ребров установил основ- ные параметры зубьев - ширину рабочей части зуба следует опре- делять по выражению
3 0,11

p
b
V
(где V – вмести-мость ковша); длина рабочей части зуба
3
(0, 25 0,3)


p
l
V
; чтобы исключить переднюю стенку ковша из процесса копания, первоначальный ра- диус заострения зуба следует определять по выражению
3 3
3 0,625

V

; угол заострения у нового зуба 26° [4]. Это положе-

ние в настоящее время сохраняется почти у всех экскаваторов, вы- пускающихся в России.
Наряду с этим имеются различные рекомендации и патенты по форме и размерам зубьев ковшей экскаваторов. В этом направле- нии заслуживает внимания биомеханическое моделирование в соз- дании режущих органов землеройных машин [3]. Создание режу- щих органов землеройных машин на основе биомеханического мо- делирования позволяет использовать эффект самозатачивания при подборе материалов сложного строения, выборе оптимальной фор- мы, обеспечивающей минимальное значение силы трения. Биоме- ханическое моделирование направлено на обеспечение соответст- вия режущих органов грунтовым условиям, достижение минималь- ной динамичности и энергоемкости процесса резания грунтов, мак- симальной конструктивной прочности и необходимой износостой- кости рабочих кромок и поверхностей, а также простоты изготов- ления, монтажа, демонтажа и ремонта [3]. Создание новых и со- вершенствование выпускаемых машин для земляных работ осуще- ствляются в направлении повышения их производительности за счет интенсификации рабочих органов при уменьшении массы, по- вышении долговечности и надежности [2]. Однако проводившиеся многочисленные исследования по интенсификации действия рабо- чих органов землеройных машин за счет применения вибрации, различных физических и химических способов воздействия на грунт пока не привели к существенным практическим результатам, но поиски в этих направлениях продолжаются [1]. В таком проти- воречивом случае остается один выход - обращать внимание на по- иск путей, обеспечиваюших самозатачивание зубьев ковшей экска- ваторов в процессе работы. Создание и реализация самозатачивае- мых зубьев экскаваторного ковша по своей значимости могут срав- ниваться с динамическими, рабочими органами (ударный, вибра- ционный, высокоскоростной), которые увеличивают энергическое воздействие на среду. Затупление зуба изменяет характер действия нагрузки в сторону интенсивного изнашивания рабочей части зубь- ев. В процессе работы изменяются основные параметры зуба: его рабочая длина (кривая 1 на рис. 1, б), угол заострения (кривая 2), площадки износа (кривая 3) [4].

Рис. 1. Характер изменения формы зуба ковша экскаватора (а) и его парамет-
ров (б): 1 - длины; 2 - угла заострения; 3 - длины площадки износа
Эти изменения основных параметров зуба подтверждаются нашей попыткой применения расчетной программы для исследова- ния износа зубьев ковша экскаватора.
При создании новых по конструкции зубьев и при выборе ма- териалов для их производства требуются прогрессивные методы исследования изнашивания, исключающие трудоемких лаборатор- ные и полевые испытания.
Мы считаем, что одним из таких прогрессивных и современ- ных методов является использование расчетных программ для прогнозирования износостойкости зубьев ковша экскаватора, и ав- торы представляют результат первой попытки по этому направле- нию. Для получения результата первого приближения в расчетную программу ввели только один параметр – расчетную нагрузку.
Используя программный продукт Ansys, нагружаем расчетной нагрузкой изнашиваемую поверхность зуба. Расчетная программа
Ansys включает в себя: задание типа элементов; их констант свой- ства материала; построение геометрической модели (создание точ- ки, линии, площадь); построение конечно-элементной сетки; зада- ние граничных условий и нагружения; запуск на счет; создание таблицы элементных результатов; деактивацию выделенных эле- ментов и пересчет следующего шага и т.д.
У экскаваторного зуба нагрузка распределена неравномерно от 0 до 5000 Н (рис. 2).
а
б

Рис. 2:а, б - общий вид зуба экскаваторного ковша; в - построение конечно- эле- ментной сетки
Рис. 3. Результат после решения
в

Рис. 4. Характер изменения формы зуба после первого (а), второго (б), третьего (в) и четвертого (г) шага нагружения
в
а
б
г

По продольному сечению зуба определили распределения эк- вивалентного напряжения (рис. 3). Если наблюдается значение выше допустимого напряжения, то удаляем элемент из поверхно- сти зуба в местах наибольшего напряжения. Расчеты повторялись
4 раза (рис. 4).
Из рис. 4 видно, что характер изменения формы зуба, полу- ченный при использовании расчетной программы Ansys, почти идентичный с характером изнашивания зуба при эксплуатацион- ных условиях (см. рис. 1, а).
Исследователями [4] установлено, что у зубьев с наплавкой на передней и задней плоскостях изнашивание происходит сравни- тельно медленно, но зубья с наплавкой на внутренней плоскости имеют наименьшую скорость изнашивания, при этом происходит также самозатачивание зуба (рис. 5, г ). В этом случае самозатачи- вание происходит не симметрично относительно оси зуба, а обра- зует достаточно большую площадку затупления, которая вызывает дополнительное лобовое сопротивление двугранного клина. Кроме того, площадка затупления на наружной плоскости зуба вызывает отталкивающее усилие на ковш экскаватора со стороны массива, для преодоления которого затрачивается дополнительное напорное усилие, одновременно увеличивающее общее сопротивление копа- нию грунта экскаватором. Для того, чтобы исключить все отрица- тельное влияние затупленных зубьев на работу и эксплуатацию экскаваторов, необходимо создать конструкцию самозатачивающе- гося зуба ковша экскаватора при существующей форме зуба (рис.
6). Эффект самозатачивания основан на подборе места расположе- ния износостойкого материала, на выборе соотношения твердости материалов самого зуба и износостойкого композиционного мате- риала.
;
Новая конструкция зуба позволяет постоянно сохранять ост- рые зубья, не образуя площадку затупления.
Для того чтобы проверить патентоспособность этой новой конструкции зуба, изготовили четыре модели из целлоида, в сере- дине которых по оси заложены закладные паластинки из различ- ных материалов, т. е. из марганцовистой стали (рис. 8, 1), алюми- ния (рис. 8, 2), меди (рис. 8, 3), свинца (рис. 8, 4).
Модели испытаны на стенде ускореного испытания с центро- бежным барабаном, загруженным корундом (рис. 7).
Результаты испытания показаны на рис. 8.

Рис. 5. Характер изменения формы зуба в зависимости от места нанесения
износостойкой наплавки: а - без наплавки; б - наплавка по двум плоскостям; в - по наружной плоскости; г - наплавка по внутренней плоскости
Рис. 6. Характер изменения формы самозатачивающегося зуба новой конст-
рукции: 1- основной материал зуба; 2 - слой износостойкого, композиционного материала
Рис. 7. Схема испытательного стенда
а
б
в
г

Рис. 8. Общий вид изношенных моделей: а - через 50 часов; б - через 100 часов; в - наложенные друг на друга виды неизно- шенных и изношенных моделей
а
б
в

Из рис. 8 видно, что стальная пластинка почти не укорочена, а пластинки из алюминия и меди укорочены, но эти модели не зату- плены, сохраняют остроту по оси, т. е. самозатачиваются. А модель зуба, имеющая менее твердую закладную свинцовую пластинку, чем целлоид, изнашивается как обычный зуб, изготовленный из однородного материала. Этим доказана патентоспособность новой конструкции и получен патент.
В поиске конструкционного решения самозатачиваемого зуба ковша экскаватора мы перед сабой поставили задачу получить из- носостойкий композиционный материал непосредственно в про- цессе изготовления зубьев литьем.
В настоящее время, как и раньше, основное место в производ- стве режущего рабочего органа машин для земляных работ зани- мают марганцовистые стали, в большинстве сталь марки 110Г13Л или сталь Гатфильда. Сталь Гатфильда достаточно хорошо изучена и широко используется для производства износостойких деталей, работающих в ударно-абразивных условиях эксплуатации машин.
Надо отметить то уникальное её свойство, как превращение аусте- нитной структуры в мартенситную при достаточной степени удара
(в результате наклепа) и повышение твердости металла, сохраняя высокую вязкость. Но при эксплуатации деталей оборудования или машин в условиях без ударных нагрузок вышеупомянутое уни- кальное свойство теряется и наоборот очень быстро изнашивается.
В практике часто требуется металл, который хорошо перенес бы изнашивание в условиях высоких и малых ударных нагрузок одно- временно. Такое промежуточное свойство имеют композиционные металлы или сплавы.
Высокую стойкость и надежность режущего рабочего органа можно обеспечить, как правило, тогда, когда для конкретных усло- вий их эксплуатации удается получить оптимальное сочетание со- противления сталей пластической деформации (в качестве показа- теля, которой в большенстве случаев используется такое измери- мое свойство как твёрдость) и хрупкому разрушению – вязкость.
По нашему мнению, этого можно достичь разработкой новых тех- нологических приемов производства литья.
В последнее время получило развитие повышение стойкост- ных свойств режущего инструмента за счёт структурной и химиче- ской неоднородности в материале. Примером комплексного реше- ния задачи – повышение свойств материала в целом и в области

режущего инструмента за счёт формирования неоднородной струк- туры, являюся дамасские (булатные) стали. В настоящее время под дамасскими сталями принято понимать высокоуглеродистые стали, имеющие химическую и структурную неоднородность (дамасский узор) и обладающие высокими механическими свойствами. Боль- шое число предполагаемых центров производства предопределило многообразие технологий получения дамасских сталей.
Первую попытку классифицировать дамасские стали по спосо- бу получения сделал П.П. Аносов в своей работе. Согласно приве- денной им классификации дамасские стали подразделяются на ложные, искусственные или сварочные и настоящие. При этом в качестве отличительного признака он выбрал узор (макроструктуру поверхности образца), в частности отмечая, что “настоящий булат отличается от сварочного неподражаемым для искусства располо- жением узоров”. В то же время не совсем понятно, какой класси- фикационный признак лег в основу термина “настоящие”. В после- дующих работах этот термин был заменен термином “литые“. При этом предполагалось, что в процессе получения дамасских сталей вся шихта или её часть находилась в расплавленном состоянии.
Ученые разных стран изучали и изучают особые свойство да- масских сталей. Тайна изготовления настоящей булатной стали до сих пор не открыта, но ученые сделали единый вывод, что этот ме- талл композиционного характера. Исходя из таких выводов воз- никла идея изготовить композиционный сплав из двух металлов противоположного свойства. Задача данного опыта заключается в том, чтобы в мягкой вязкой матрице из высокомарганцовистой ста- ли не полностью растворить хрупкий твердый белый чугун и полу- чить композиционный сплав, сохраняющий достаточную твердость и вязкость. Этот композиционный сплав будет хорошо работать в условиях ударных нагрузок и без них.
Мы производили некоторые опытные плавки, отливали образ- цы для изучения сплава.
Опыт проводили следующим образом. Сперва мы отливали прутки  6; 8; 10 мм, длиной около 200 мм из сплава марки
ИЧХ28Н2 или, как еще ее называют, износостойкого белого чугу- на. Для шихтовки данного сплава мы брали обрезки литников отливок, произведенных на ремонтно-механическом
Химический состав белого чугуна,
по весовой %
Марка
С
Мn
Si
Cr
Ni
P
S

чугуна
ИЧХ28Н2 2.83 0.68 0.2-0.3 28.6 1.6
0.030
0.04 заводе ГОК ”Эрдэнэт”. Химический состав сплава показан в табли- це.
Эти прутки из белого чугуна тщательно очистили до основно- го металла от пригара и окисленных слоев шлифовальным кругом, затем наждачной бумагой перед помещением их в литейную фор- му.
Опытные образцы имели форму параллелепипеда со сторона- ми 30x50x100 мм, внутри образцов вдоль оси длинной стороны расположили прутки разного диаметра из белого чугуна с шагом 15 мм между собой. Образцы были отлиты из стали Гатфильда при температуре 1410–1420 о
С. После охлаждения до комнатной тем- пературы образцы резали в поперечном сечении и изготовляли микрошлиф, затем изучали под металлографическим микроскопом с увеличением х100, х200 и х1000 (рис. 9, 10, 11, 12).
Первоначальная микроструктура прутка состоит из столбчатых дендритов цементита и мельких зерен перлита. Эта структура по- сле заливки опытного образца плавно переходит в смешанную структуру аустенита и карбидов. По мере отдаления от зон количе- ство карбидов уменшается, а количество зерен аустенита увеличива- ется. Матричная микроструктура состоит только из аустенита.
На поперечном сечении в каждой отдельной зоне опытного образ- ца измеряли твердость в нескольких точках и усреднили результаты измерений. Максимальную твердость заиеры показывают в районе рас- положения прутка из белого чугуна. Эта величина твердости 543-549
НВ. По мере отдаления от этого района твердость уменьшается и со- ставляет около 534 НВ в переходной зоне. А твердость матричного ме- талла не более 246–250 НВ.
Отсюда можно сделать вывод, что в мягкой и вязкой матрице зонально расположенные карбиды увеличивают твердость, тем са- мым увеличивают износостойкость, сохраняя достаточную вяз- кость. Твердая карбидная зональная макроструктура

Рис. 9. Микроструктура около цен-
тра прутка из белого чугуна (пру-
ток полностью не распла-вился)
Рис. 10. Микроструктура около на-
ружной зоны прутка из белого чугу-
на
Рис. 11. Микроструктура переход-
ной зоны прутка из белого чугуна и
стали
Рис. 12. Микроструктура основного
матричного металла (110Г13Л)
поддерживается вязкой матричной структурой и хорошо будет ра- ботать при малой ударной нагрузке. В случае высокой ударной на- грузки матричная аустенитная структура будет принимать главную нагрузку и превращаться в мартенситную. В этом случае твердая часть структуры частично будет разрушаться, но будет сохранять основную форму благодаря матричному мартенситу. В дальнейшем эта исследовательская работа будет продолжаться в направлении изучения влияний разных технологических факторов на свойства композиционного сплава и разработки оптимальной технологии производства конкретных отливок.

Рис. 13. Закономерность изнашивания зубьев ковша экскаватора: а - зуб заводского изготовления; б - зуб новой самозатачи- вающейся конструкции
Рис. 14: а - изношенный самозатачивающийся зуб; б - сравнение с зубом заводского изготовления, имеющим одинаковый по длине износ
а
б
а
б

По подобной, опытной технологии изготовлено достаточное ко- личество зубьев и испытано в производственных условиях.
В результате промышленных испытаний выявлены закономер- ности изнашивания заводских зубьев и зубьев новой конструкции при определенных эксплуатационных условиях рабо-ты экскавато- ров (рис. 13 и рис. 14).
Общие выводы
1. Для исследования изнашивания зуба экскаватора можно использовать расчетный программный продукт Ansys. В дальней- шем продолжать работу, учитывая другие параметры копания грунта экскаватором и конструкции зубьев.
2. Возможно производить детали, работающие в условиях ма- лоударных нагрузок, с достаточной высокой твердостью без при- менения дефицитных дорогостоящих легирующих элементов.
3. Новая конструкция зуба экскаваторного ковша позволяет постоянно сохранять острые зубья, не образуя площадку затупле- ния. Результаты нашего исследования показывают, что неблаго- приятные следствия затупления зубьев ковша снижаются до 80 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Волков Д.П. Пути развития строительных машин и оборудования для от- крытых горных работ //Строительные и дорожные машины. - 1996. - № 4.
2. Волков Д.П. Проблемы динамики, прочности, долговечности и надежно- сти строительных и дорожных машин //Строительные и дорожные машины. -
1993. - № 5.
3. Шукуров Р.У. Биомеханическое моделирование создания режущих орга- нов землеройных машин //Строительные и дорожные машины. - 2003. -№ 3.
4. Рейш А.К. Повышение износостойкости строительных и дорожных машин.
– М.: Машиностроение, 1996.
Дэлэг Д. – профессор, директор Инженерно-механического института,
Ванчинжав С. – докторант, заведующий лабораторией научно- исследовательского центра «Испытание и контроль металлов» Инже- нерно-механического института,
Пурэвдорж Н. – докторант, преподаватель Института математики,
Монгольский государственный университет науки и технологии.
Коротко об авторах