14552 (Технологічне забезпечення відновлення дисків сошників зернових сівалок), страница 10

Методика дослідження деформаційного зміцнення. Оцінка схильності поверхні металу шва, утвореного з використанням високомарганцевистого порошкового дроту, до зміцнення здійснювалась у два етапи.

Етап 1. Спочатку, для спрощення процедури та зменшення часу підготовки зразків, схильність до зміцнення визначалась на невеликих дослідних зразках, вирізаних із відремонтованих дисків. З використанням твердоміра Брінеля 119,116, кулька Ø10мм втискалась в поверхню зварного шва навантаженням 2,5кН (рис.2.5). Діаметр кульки та величина навантаження вибрані такими, що з однієї сторони забезпечують зміцнення з оптимальною величиною твердості, а з іншої - не спричинюють істотного впливу на геометрію поверхні шва. Після кожного втиснення за допомогою твердоміра Віккерса 119 виконувалось вимірювання твердості HV в центрі створеного кулькою відбитку (рис.3.4).

Таким чином отримано залежність твердості зміцненої поверхні шва від кількості втиснень кульки. За результатами досліджень визначено необхідну ступінь пластичного деформування, яка необхідна для утворення аустеніто-мартенситної структури та зміцнення поверхні шва.

Ступінь деформаційного зміцнення поверхні шва внаслідок наклепу аустенітного металу визначався за наступною формулою 116:

, (3.1)

де - початкова твердість, - твердість в центрі відбитку після “n” втиснень кульки на приладі Бріннеля, - ступінь деформаційного зміцнення поверхні зварного шва,%.

Рис.3.4 Схема дослідження деформаційного зміцнення

Етап 2 передбачав, що отримана на етапі 1 ступінь пластичного деформування реалізовувалась шляхом прокатування поверхні шва відремонтованого диска роликами, із використанням модернізованої установки на базі токарного верстата ТВв-7,2 115. У ній патрон 2 (рис.3.5) фіксує опорну плиту 1, на якій закріплений диск 3.

Частота обертання диска можна регулювати в діапазоні 0,2. .0,5 Гц. До поверхні шва підводиться пристрій з роликом 4. Зусилля притискання 2,5кН (250кг). Кількість обертів, необхідних для зміцнення, корелюється із кількістю втиснень сталевої кульки, що забезпечує оптимальне значення твердості HV. Відомо, що при прокатуванні роликами, окрім зміцнення, відбувається зниження залишкових напружень розтягу та створюються напруження стиску 149,151. Важливим при цьому є необхідність забезпечити оптимальний рівень залишкових напружень стиску у робочій ділянці диска та зміцнення шва.

Рис.3.5 Схема установки для зміцнення дисків прокатуванням роликів: 1 - опорна плита, 2 - патрон токарного верстату, 3 - відремонтований диск, 4 - пристрій з роликом

У зв’язку з цим підбір оптимального режиму прокатування для усунення зварювальних деформацій передбачає врахування факторів, які впливають на величину пластичних деформацій та зміцнення шва. Це, насамперед, зусилля на ролику, діаметр та ширина робочого поясу роликів, товщина металу в зоні прокатування (товщина диска + підсилення шва), межа плинності та модуль пружності матеріалу, напруження в металі з'єднання перед прокатуванням. В роботі величина зусилля прокатування визначалась на підставі двох підходів: для зміцнення - враховуються величина зусилля та кількість втиснень, необхідних для визначення оптимальної твердості, одержаної від втиснення кульки в поверхню шва; для створення необхідних напружень стиску - зусилля визначається наближеним співвідношенням 111, що отримане розрахунково-експериментальним шляхом, і характеризує процес прокатування роликом поверхні робочої ділянки.

Усі параметри режиму прокатування роликами (зусилля притискання, кількість проходів, діаметр ролика і швидкість обертання) вибирались згідно методики розрахунку, запропонованої в роботі 92 із урахуванням результатів отриманих від втиснення кульки та теоретичних закономірностей впливу режимів прокатування на результат прокатування 140.

Після прокатування роликами вимірювалась твердість на поверхні шва, а також рівень залишкових напружень з використанням удосконаленого експериментально-розрахункового методу 41,119, який викладено в розділі 2.

Визначення впливу характеру та величини напружень у робочій ділянці диска на його довговічність, проведено дослідженням його зносостійкості в умовах абразивного спрацювання згідно стандартної методики на машині Х4Б (рис.3.6) при контакті поверхні з гумовим кругом з прошарком річкового піску (Ø0,5. .0,6 мм). Досліджувались зразки 28×35×2,5 мм, виготовлені із дискової сталі 65Г максимально звільнені від напружень, зі створеними із застосуванням стандартної методики дробоструминної обробки (тиск повітря - 0,6МПа, абразив -корунд Al₂O₃, розмір частинок -Ø1. .3мм., час обробки - 20сек, кут обробки - 90⁰,) напруженнями стиску (200. .210 МПа) і напруженнями розтягу (200. .210 МПа). Величина зношення зразків оцінювалась ваговим способом.

Рис.3.6 Схема установки Бріннеля-Хауерта для випробувань на зносостійкість: 1 - контейнер з піском; 2 - гумовий диск; 3 - навантажуючий важіль; 4 – зразок

Оскільки диск під час експлуатації в основному піддається абразивному зношенню та втомному руйнуванню, яке зумовлене дією знакозмінного згинального моменту на робочу ділянку диска, де знаходиться зварне з'єднання, в роботі досліджено фрагмент робочої ділянки диска на жорсткість та втомну міцність.

Випробування дисків на жорсткість проводилось в умовах статичного вигину, який за характером та величиною зусилля є найбільш близьким до робочих навантажень під час посівних робіт.

Для цього нами використовувалось лабораторне устаткування: універсальна дослідна машина з граничним навантаженням 5т типу УММ-5, яка призначена для статичних досліджень металу на розтяг, стиск, згин та вигин 88; розроблене та виготовлене пристрій для кріплення дисків (3). Навантаження здійснювалось шляхом дії пуансона (1) на крайку диска (2).

Дослідження здійснювались на відремонтованих і нових дисках, а визначення напружень виконувалось методом електротензометрії згідно ГОСТ 6996-66 87. Для цього застосовувалися тензодавачі марки 2ФПКА 5.200В згідно ГОСТ 21616-76 з робочою базою 5мм, опором 225,40. .226,30 Ом та К=7,37. В якості вимірювального тракту використовувалась послідовно з'єднані півмостова схема, пристрій УНІЛАБ (4) та ПК (5). Ця схема дала змогу визначати напруження безпосередньо в процесі створення навантаження. Швидкість прикладання навантаження дотримувалась згідно нормативної документації 88. Кількість давачів вибиралась з урахуванням симетрії досліджуваного виробу, місць дії в ньому максимальних напружень в процесі експлуатації та в найбільш небезпечних ділянках зварного з'єднання (зона термічного впливу). Для нового диска мінімально допустимим є чотири (рис.3.7 див. “1. .4”) давачі, так як зварний шов в ньому відсутній, а для відремонтованого - п’ять (рис.3.8 див. “1. .5”).

Рис.3.7 Схема розміщення давачів на диску “1. .5” - тензодавачі

Зусилля навантаження, що вибирались на основі інформації про умови роботи дисків 14,18, 19,138 під час досліджень змінювались в діапазоні 0. .150 Н з кроком 25 Н. Обробку результатів досліджень здійснювали з допомогою W-критерію 101.

Випробовування дисків на втомну міцність.

Характеристики опору втомному руйнуванню, особливо границя витривалості, залежать від структури, режимів термічної і механічної обробки, технології виготовлення (чи ремонту) деталі її конструктивних особливостей та умов експлуатації. Під впливом корозії, абразивного зношування, ударних навантажень залишкових напружень, що мають місце в ділянках зварювання відремонтованого диска, втомна міцність може суттєво знижуватися.

Оскільки в процесі експлуатації диска можуть виникати втомні тріщини, проведено випробовування зварних з'єднань відремонтованих дисків на втомну міцність за силовою схемою і режимами, які максимально наближені до робочих. Такі випробовування дають можливість оцінити зварні шви за параметром втомної довговічності.

Основним критеріями при визначенні межі витривалості і побудові кривих втоми є повне руйнування зразків.

Рис.3.8 Характер зміни напружень у циклі максимальні напруження циклу max; мінімальні напруження циклу min; амплітуда напружень а = 0,5 (max-min); коефіцієнт асиметрії циклу R = min/max; період циклу Т.

Виходячи з аналізу і умов роботи дисків, для досліджень вибираємо силову схему поперечного згину консольної пластини в одній площині, яку реалізуємо при застосуванні синусоїдного симетричного знакозмінного циклу ( ) напружень (рис.3.8) з наступними характеристиками:

Основну характеристику опору втомі (межу витривалості _-1) при циклічному навантаженні зразка із сталі 65Г поперечним консольним згином отримано при побудові кривої втоми в логарифмічних координатах за результатами випробувань при заданих значеннях напружень (м’який режим навантаження) [74].

Для проведення порівняльних випробувань диска на втому при різних типах зварних швів прийнято базу випробувань 310⁶ циклів відповідно до стандарту. Для випробувань використовували спеціальні зразки - фрагмент нового та відремонтованого (і зміцненого пластичним деформуванням) диска у формі “балки рівного опору" (рис.3.9). Для такого зразка згинальний момент розподілений рівномірно по всій довжині, що дає можливість ймовірного накопичення пошкоджень при циклічному навантаженні у найслабшій його частині, а саме в зоні зварного шва (рис.3.10).

Рис.3.9 Досліджуваний сегмент диска сошника із зварним швом

Рис.3.10 Силова схема навантаження зразка Q - зосереджена сила, l - відстань на якій діє сила

Випробування проводили на установці, яка забезпечує вибрану силову схему навантажень 75. Конструктивно вона складається з випробувальної машини, пульта керування, приладів для вимірювання і контролю параметрів зусилля.

Число циклів фіксувалось лічильником, який відраховує кожен десятий цикл. Дослідження проводились при частоті 2 Гц, що приблизно відповідає частоті навантаження на диск під час його експлуатації в польових умовах.

Порядок проведення випробувань регламентується ГОСТ 25.502-79 [75]. В межах випробувань серії зразків здійснювалось м’яке навантаження і в під час випробувань контролювалась стабільність заданого зусилля до руйнування зразків.

3.4 Методика визначення залишкового напруженого стану відремонтованого диска

Проведений аналіз літературних джерел показав, що для оцінки та визначення величини та характеру залишкових напружень у коловому зєднанні диска необхідний комплексний підхід, який передбачає застосування неруйнівних експериментальних досліджень напружень з подальшими застосовуванням розрахункового апарату. Для оцінки залишкового напружено-деформованого стану відремонтованого диска використано експериментально-розрахунковий метод 62, який адаптований для випадку, що враховує особливості геометрії та фізико-механічних властивостей колового зварного з'єднання відремонтованого диска сошника. Він базується на використанні рівнянь механіки тіл з власними напруженнями та експериментальної інформації 41,119.

Для експериментальної оцінки напружено-деформованого стану використовувався фізичний неруйнівний метод координатних сіток 52. Перед з’єднанням деталей на базову деталь наносили координатну сітку у вигляді отворів Ø0,2. .0,4мм та глибиною до 0,2мм. Із застосуванням оптичного мікроскопа МІМ 8 при збільшенні 70. .120 раз здійснювалось вимірювання відстані між точками, відповідно до та після зварювання, а також після прокатування металевими роликами. Таким чином отримувались значення переміщень, котрі при застосуванні відповідного розрахункового апарату перераховувались у деформації та напруження. Отримані відповідні значення компонентів залишкових напружень підставляються в розроблений математичний апарат розрахунково-експериментального методу, основи якого викладені в наступному розділі дисертаційної роботи. Для спрощення обчислень експериментально-розрахунковий метод реалізується з використанням прикладної математичної програми Maple 110.

З метою перевірки точності запропонованого експериментально-розрахункового методу стосовно визначення залишкових напружень у відремонтованому диску, в роботі використано руйнівний експериментальний метод, який передбачає розрізання відремонтованого диска 52. Метод ґрунтується на таких положеннях:

1) залишкові напруження взаємно урівноважені всередині тіла;

2) у довільному поперечному перерізі рівнодіюча і момент залишкових напружень дорівнюють нулю. Після розвантаження певного об'єму тіла розрізанням його на частини ця рівновага зберігається, однак виникають пружні деформації. Вимірюючи ці деформації, обчислюють залишкові напруження за формулами теорії пружності. Деформації, що характеризують залишкові напруження, в роботі вимірювалось електричними тензометрами. У якості електричних тензометрів використано дротяні перетворювачі опору, які наклеювались на поверхню дисків.

Відслідковування стійкості відремонтованого диска 118 при сумісному впливі робочих навантажень та залишкових напружень виконано за наступною схемою. Для цього зварне з'єднання моделюється за умовно розподіленими ділянках із застосуванням програмного пакету для тривимірного твердотільного моделювання SolidWorks 93. Кожній ділянці в залежності від зварного з'єднання відповідають певні фізико-механічні властивості та геометричні розміри. Останні отримуються на основі застосування експериментально-розрахункового методу, який дає інформацію про рівень та характер поля пластичних деформацій в зварному з'єднанні диска 41,119,113. Задавши фізико-механічні властивості окремо для кожної ділянки зварного з'єднання, що реалізується з допомогою програмного комплексу Algor, отримуємо розподіл залишкових напружень у відремонтованому диску. Навантаживши диск статичними силами, що діють під час експлуатації, визначали та відслідковували реальний стан диска, а також величину залишкових напружень та деформацій у будь-якій точці зварного з'єднання та диска загалом.

3.5 Стендові та польові випробовування

Оцінка експлуатаційних характеристик відремонтованих дисків сошників здійснювалась шляхом польових та стендових випробовувань. Для стендових випробовувань стійкості відновленого диска до абразивного спрацювання спроектована та виготовлена експериментальна установка (рис.3.12) 112.