4. Методы восстановления износов деталей и узлов

Для восстановления деталей в локомотивном депо применяют:

• электрическую дуговую сварку;

• газовую сварку;

• сварка порошковыми проволоками и наплавку.

При подготовке трещин под заварку концы их засверливают.

1) несквозные трещины подвергают U–образной разделке с применением электрода или газокислородного резака.

2) Для сквозных трещин обычно принимают V или Х–образную разделку ручным или пневматическим зубилом.

Если заварка трещины недостаточно для обеспечения прочности, необходимо усилить место заварки. Усиление следует производить по чертежам или инструкторским указаниям, утвержденными М. П. С.

Качество сварных швов и соединений контролируют внешним осмотром, ультразвуковыми и другими методами.

Для восстановления деталей применяют электролитические методы (железнение, омеднение, хромирование).

Электролитические методы применяют для восстановления:

• поверхностей валов, посадочных поверхностей колец подшипников и буксовых щитов тяговых двигателей (железнение);

• шеек коленчатых валов, стальных кулачков и шеек кулачковых валов групповых переключателей (хромирование);

• декоративно–защитных покрытий поручей и т. д. (никелирование);

• деталей электронных аппаратов от коррозии (цинкование).

Применяют также полимерные материалы:

• для заделывание трещин;

• защиты от коррозии;

• декоративные покрытия (синтетические клеи и эпоксидные смолы).

Методы упрочнения деталей.

Механическое упрочнение:

1. накатка роликом (оси колесных пар, коллекторы тяговых двигателей);

2. наклеп дробью (детали рессорного подвешивания);

3. шлифование;

4. полирование.

Термическое упрочнение – для деталей работающих в условиях механического износа и ударных нагрузок (длина тормозной рычажной передачи, рессорного подвешивания).

Термохимическое упрочнение – обеспечивает не только упрочнение, но и изменение химического состава металла путем насыщения поверхностного слоя углеродом (цементация), азотом (азотирование), либо азотом и углеродом одновременно (цементирование ил нитроцементация).

Этот метод применяется для повышения износостойкости поверхностей особо напряженных деталей (меж тележечных соединений, опоры кузова).

Методы повышения ресурса изнашиваемого оборудования

Основные понятия

Межремонтные пробеги ЭПС ограничены величиной ресур­са оборудования, подверженного износу или старению (изнаши­ваемого оборудования). Износ трущихся поверхностей зависит от физико-химических свойств очень тонкого поверхностного слоя трущихся деталей. Меняя физико-химические свойства этого слоя, можно значительно повысить износостойкость обо­рудования, увеличить его ресурс и, следовательно, увеличить межремонтные пробеги локомотивов. Существует большое чис­ло различных технологических методов, с помощью которых по­вышают износостойкость трущихся поверхностей. Все эти мето­ды можно условно разделить на две большие группы:

I - традиционные, нашедшие широкое применение в промышленности и на ж.д. транспорте;

II - сравнительно новые прогрессивные методы, ко­торые проходят либо экспериментальные испытания, либо не нашли применения на ж.д. транспорте. К традиционным методам относятся:

а) шлифование;

б) полирование;

в) дробеструйная обработка;

г) накатка роликом и т.д.

Шлифование и полирование имеют целью уменьшение ше­роховатостей, сглаживание трущихся поверхностей, в результа­те уменьшается коэффициент трения и количество энергии, вы­деляемое при трении и идущей на разрушение поверхностей.

При дробеструйной обработке поверхность подвергается воздействию металлических шариков, движущихся с высокой скоростью.

При накатке роликами поверхность подвергается деформа­ции при помощи специальных роликов, перемещаемых по этой поверхности при высоком давлении. При этих способах проис­ходит деформационное уплотнение поверхностных слоев ме­талла, что увеличивает сцепляемость отдельных частиц метал­ла и затрудняет их отрыв друг от друга.

Сравнительно новыми и перспективными методами являют­ся:

а) напыление износостойких соединений на изнашиваемую поверхность - газопламенное, электродуговое, газоплазменное;

б) упрочнение изменением химического состава поверхно­стного слоя металла (диффузионное насыщение):

• борирование (насыщение поверхности соединениями бора);

• цементация (насыщение поверхности соединениями углерода);

• азотирование;

• цианирование (насыщение поверхности соединениями азота и углерода);

в) сравнительно недавно разработаны новые методы соз­дания пленки на поверхности:

• эпиламирование;

• металлоплакирование;

г) к наиболее прогрессивным способам из последних дости­жений научно-технического прогресса относятся методы упроч­нения, при которых структура поверхностного слоя меняется при помощи корпускулярной фотонной технологии:

• лазерная закалка;

• электронно-лучевая обработка;

• ионная имплантация.

Газопламенное напыление

Оно заключается в нанесении на упрочняемую поверхность (подложку) частиц металла, обладающего повышенной твердо­стью и износостойкостью.

1 -подложка;

2 - газовая горелка;

3 - бункер

Упрочняемую поверхность предварительно под­вергают механической обработке (на токарном, фрезерном, строгальном станках) для устранения трещин, выбоин и др., очищают от жировых пятен (салфеткой с растворителем), после чего прогревают пламенем газовой горелки. Затем открывают клапан бункера и в струю пламени подают металлический по­рошок, который расплавляется в пламени и осаждается на под­ложке при перемещении газовой горелки.

Преимущества метода:

а) простота;

б) возможность реализации в любом локомотивном депо;

в) сравнительно невысокая себестоимость.

Недостатки метода:

а) необходимость в механической обработке как до, так и после напыления;

б) плохая воспроизводимость;

в) происходит отслаивание напыленного металла.

Плохая воспроизводимость присуща всем методам, исполь­зующим источник тепла в качестве энергоносителя. Этот недос­таток заключается в том, что даже при примерно одинаковых условиях обработки получаются различные результаты. Плохая воспроизводимость количественно отражается в том, что пока­затели износостойкости поверхности имеют повышенную дис­персию.

Электродуговое напыление

1 -подложка;

2 -электроды;

3 - электрическая дуга;

4 - проволока, порошок;

5 - подача сжатого воздуха.

Электродуговое напыление внутренних поверхностей букс электровозов на МЛРЗ :

1 - вращающийся стол;

2 - двигатель;

3 - букса;

4 - щетки ТЭД в качестве электродов;

5 - подача воздуха.

Достоинства метода:

а) сравнительная простота;

б) возможность напыления более тугоплавких и износостой­ких соединений за счет более высокой энергии электрической дуги.

Недостатки метода:

а) необходимость механической обработки;

б) плохая воспроизводимость;

в) возможность отслоения.

Газоплазменное напыление

1 - плазменная горелка;

2 -электроды;

3 - дуга;

Газ (аргон, криптон) проходит через дугу, при температуре t=10000-20000⁰С атомы превращаются в ионы (плазма)

Достоинства метода:

а) возможность использования самых тугоплавких металлов;

б) экранирующее действие инертного газа, который пре­дотвращает окисление кислородом воздуха напыляемого ме­талла.

Недостатки метода:

а) не слишком высокая воспроизводимость.

Диффузионные методы

Они заключаются в насыщении тонкого поверхностного слоя соединениями, имеющими повышенную твердость и износо­стойкость.

Борирование - насыщение поверхности боридами железа-FеВ, Fе₂В.

1 - контейнер; 2-парафин;

3 - порошок с различными химическими соединениями, в том числе карбид бора;

4 - упрочняемые детали;

5 - асбестовый лист;

6 - речной песок;

7-крышка;

8-лента из силикатного стекла.

При нагреве контейнера до 1000°С парафин плавится и ис­паряется, и его пары вытесняют воздух, тем самым предотвра­щается окисление. После плавится стеклянная лента и создает жидкий затвор, герметизируя контейнер. Выдерживается шесть часов. При высокой температуре в порошке протекают химиче­ские реакции, в результате которых выделяется атомарный бор, обладающий очень высокой химической активностью. Атомы бора вступают в реакцию с окислами железа и замещают в них кислород. Образующиеся бориды железа имеют высокую твер­дость и износостойкость. Глубина упрочняемого слоя от 0,05 до 0,5 мм.

После выдержки в печи контейнер вынимают, охлаждают (без ускорения) и извлекают упрочненные детали.

Достоинства метода:

а) простота;

б) невысокая стоимость;

в) высокие показатели износостойкости.

Недостатки метода:

а) плохая воспроизводимость;

6) хрупкость упрочненного слоя;

в) при появлении трещин на поверхности образуются «язвочки», которые не подлежат выведению из-за высокой твер­дости металла.

Повышение износостойкости эпиламированием

Эпилам представляет собой смазочную композицию марки 6СФК-180.05, которая является бесцветной жидкостью (не горю­чая, не токсичная), имеющей плотность 1,57 г/см³, температуру кипения 47°С. Эпилам летуч, быстро испаряется, его держат в закрытых сосудах. Эпилам предназначен для обработки различ­ных поверхностей (как металлических, так и неметаллических):

• пар трения, различных узлов механизмов, с целью сни­жения коэффициента трения и износа, увеличения ресур­са, снижения каталитического воздействия поверхностей на смазочные материалы;

• металлообработка инструмента различного назначе­ния и технологической оснастки с целью повышения износостойкости и чистоты поверхности обрабатываемого материала;

• резинотехнических изделий (РТИ) для снижения коэффи­циента трения, износа и замедления процесса старения, а в ряде случаев -для повышения химической стойкости РТИ в некоторых активных средах.

Эпилам наносится на предварительно обезжиренную поверхность методом выдержки в растворе, нанесением тампоном, кистью, пульверизатором и т.д. Окунание может происходить в холодный или кипящий эпилам.

Эпилам абсорбируется на твердой поверхности в виде пленки, представляющей собой мономолекулярный или близкий к нему слой (40 ангстрем). Образующаяся пленка обладает сле­дующими свойствами:

а) выдерживает удельные нагрузки до 300 кг/мм²;

б) термостабильна до 400°С.

В результате обработки твердых поверхностей эпиламом их износ снижается в 2 и более раз. Обработка эпиламом поверх­ностей узлов трения эффективно удерживает смазку, уменьша­ет коэффициент трения и снижает износ. Износостойкость ме­таллообрабатывающего инструмента и технической оснастки повышается в 2-5 и более раз, а РТИ - в 2 и более раз. Норма расхода эпилама - 30 г/м² при обработке кипящим эпиламом и при условии, что установка снабжена холодильником, который конденсирует пары растворителя. Расход при холодном покры­тии - 80-100 г/м².

Изделие перед обработкой обезжиривают в хладоне, ацето­не, спирте и других растворителях. Перерыв между обезжири­ванием и нанесением эпилама продлевать более двух часов не допускается. Эпиламирование в зависимости от габарита дета­ли осуществляется следующим образом:

а) окунание в герметичной таре;

б) нанесение кистью или тампоном.

При обработке окунанием деталь помещают в емкость на 5-10 минут при температуре окружающей среды. Погружение в эпилам крупных деталей производится на подвесных крюках, мелких деталей - в металлических сетках.

После подъема деталь выдерживают до полного отекания эпилама. Емкость герметично закрывают после очередной об­работки. Более эффективным методом является эпиламирование деталей в кипящем эпиламе (время выдержки 30-60 мин). РТИ эпиламируются путем кипячения в течение 20-40 минут. При обработке деталей эпиламом с помощью тампона (кисти или пульверизатора) возможно разовое или многократное (2-3 раза) нанесение эпилама на поверхность. В последнем случае необходимы промежуточные сушки деталей на воздухе в тече­ние 5-10 мин с последующей сушкой в электросушильных шка­фах или термостатах при температуре 100-150°С в течение 1-1,5 часов. Если сушка в термостате не производится, то необходи­ма сушка при комнатной температуре (6 часов). Наличие пленки эпилама проверяется с помощью нанесения масла на обрабо­танную поверхность. При наличии пленки капли масла удержи­ваются на наклонной поверхности (до 70°) и сохраняют форму, близкую к сферической.

На кафедре «Электрическая тяга» были проведены экспе­рименты по эпиламированию моторно-осевого подшипника (МОП) электровозов ВЛ80к в депо Лиски. Эпиламирование про­изводилось тремя способами:

• обработка только шейки оси КП, соприкасающейся с МОП;

• обработка только баббитных поверхностей вкладышей МОП;

• обрабатывалось и то и другое.

При первом способе ресурс узла МОП увеличился на 10%, при втором - уменьшился на 10%, при третьем способе - ресурс остался без изменений.

Кроме того, производилось эпиламирование коллекторов вспомогательных машин электровозов ВЛ10 в депо Москва-Сортировочная и электропоездов Нижегородского метрополите­на. В обоих случаях получено существенное увеличение ресур­са до обточки коллектора. При этом наблюдалось улучшение коммутации (уменьшение искрения).

Лазерное упрочнение

Лазерный луч - монохроматический (имеющий одну длину волны) и когерентный (однонаправленный) поток квантов энер­гии. Благодаря когерентности лазерный луч может быть сфоку­сирован практически в точку, а точнее в пятно диаметром, рав­ным длине световой волны.

Если воздействие светового потока прекращается, то про­исходит мгновенное охлаждение разогретого слоя за счет теп­лоотдачи во внутренние холодные слои металла.

Температура нагрева поддерживается в пределах от темпе­ратуры фазового превращения до температуры плавления.

Температура фазового превращения - температура, при которой происходит разрушение кристаллической решетки, но металл еще не расплавлен. При охлаждении, за счет быстроты протекания этого процесса, молекулы не успевают выстроиться обратно в кристаллическую решетку. Поверхностный слой металла, подверженный воздействию лазерного луча, остается в неупорядоченном, аморфном состоянии и приобретает высокие показатели твердости, прочности и износостойкости. Благодаря тому, что температура металла при обработке не превышает точки плавления, поверхность обрабатываемой детали не де­формируется и не требует последующей механической обработ­ки.

1 - колба, 2 - электроды на напряжение 25-30 кВ; 3 -регу­лировка: 4 - крышка с зеркалом с золоченой поверхностью с коэффициентом отражения 0,98

Устройство лазерной трубки показано на рисунке.

Молекулы газа поглощают кванты энергии, и электроны в атомах переходят на наиболее высокий энергетический уровень, происходит «накачка» лазера. Затем какой-то из электронов случайно или под действием какого-либо фактора возвращается на естественную орбиту, и атом излучает квант энергии. Этот квант воздействует на соседний атом и переводит электрон на естественную орбиту и т.д. Лавинообразно возрастает поток из­лучаемых квантов энергии, причем, если переход электрона осуществляется между одними и теми же орбитами, разность энергии - это постоянная величина, то согласно (h -постоянная Планка, - частота излучения) излучаемый поток имеет одну и ту же частоту колебаний, т.е. световой поток явля­ется монохроматическим. Фотоны попадают на зеркальную по­верхность, отражаются, а за счет юстировки (точной установки) после отражения фотон направляется строго параллельно оси, т.е. на выходе получаем когерентный лазерный луч.

В процессе работы углекислый газ разлагается: 2СО₂ <=> 2СО + О₂ , поэтому необходима его смена, т.е. прокачка. Обычно лазерный излучатель собирается из целого пучка лазерных трубок для увеличения площади обрабатываемой по­верхности. Лазерная установка для упрочнения метал­лических деталей состоит из лазерной пушки 1, которая излуча­ет когерентный поток лучистой энергии, при помощи системы наводящих зеркал 2 этот поток может быть направлен так, что лазерный луч может быть транспортирован на большие рас­стояния.

Внутри рабочей головки 3 есть фокусирующая система из набора линз 4, выполненных из материала, прозрачного для ла­зерного луча; 6 - рабочий стол, позволяющий передвигать об­рабатываемую деталь 5. Линзы выполнены из кристалла пова­ренной соли, но она гигроскопична, поглощает влагу из воздуха и со временем оптика теряет прозрачность и регулярно меняет­ся. В рабочую головку подается инертный газ (аргон, гелий, криптон, азот), охлаждающий систему и создающий инертную среду, предотвращая окисление раскаленной поверхности ки­слородом воздуха.

Существуют два способа сканирования луча по обрабаты­ваемой поверхности:

• обрабатываемая деталь неподвижна, луч перемеща­ется по поверхности при помощи системы поворотных

зеркал;

• луч неподвижен, деталь перемещается относительно луча при помощи передвижения рабочего стола.

Способ 1 более универсален, позволяет полностью автома­тизировать процесс, но требует дорогих автоматических уст­ройств.

Способ 2 более прост, но из-за инерционности снижается точность обработки массивных деталей.

Металлические поверхности перед обработкой очищаются до металлического блеска, приобретая зеркальный эффект. Для увеличения коэффициента поглощения энергии металлическая поверхность перед лазерным облучением покрывается специ­альной пастой на основе графита или подвергается травлению.

Основные достоинства лазерной технологии:

а) высокие показатели износостойкости после обработки (увеличение до 10 раз). В депо Москва - Октябрьская обраба­тываются бандажи колесных пар, при этом ресурс до обточки увеличивается в 2 раза;

б) очень высокая степень воспроизводимости благодаря очень высокой степени дозировки потока энергии;

в) высокая технологическая гибкость. Этот метод по­зволяет производить точечную закалку, закалку по контуру, закалку труднодоступных поверхностей.

Недостатки:

а) высокая стоимость лазерной установки;

б) большие эксплуатационные расходы на замену зеркал, оптической системы, приобретение рабочих газов;

в) необходимость предварительного покрытий обраба­тываемых поверхностей светопоглощающими материалами.

Все недостатки компенсируются достоинствами и тем, что лазерная технология повышает культуру производства.

Повышение износостойкости оборудования ЭПС на основе избирательного переноса

В течение длительного времени главным направлением борьбы с изнашиванием и уменьшением трения было повыше­ние твердости поверхностей трения деталей машин. При повы­шении твердости материалов уменьшается взаимное внедрение одной поверхности в другую, снижаются пластические дефор­мации и окислительные процессы, а также действие абразивных частиц. В поисках новых путей повышения износостойкости де­талей машин обратились к живой природе. Анализ нагруженных подвижных сочленений живых существ показывает, что в живой природе имеется всего два типа узлов трения: открытые и закрытые. В открытых узлах трения работает пара трения «твердое-твердое» (зубы животных). Закрытые узлы трения (суставы живых организмов) сконструированы на принципах, которые в машиностроении не применяют. Здесь на твердой кости располагается мягкий хрящ, на поверхности которого име­ется тонкая, подвижная полимерная пленка, сопряженная по­верхность имеет такую же структуру. В суставе в паре трения работают два одинаковых материала, причем мягкий по мягко­му. Подобные пары трения являются универсальными узлами, обладающими безызносностью.

В середине 50-х годов при испытании технического состоя­ния узлов трения самолета ИЛ на разных этапах его эксплуата­ции было обнаружено явление самопроизвольного образования тонкой пленки на поверхностях деталей тяжело нагруженных узлов при работе пары трения сталь-бронза, при смазывании спиртоглицериновой смесью. Пленка меди толщиной 1-2 мкм в процессе трения покрывала как бронзу, так и сталь. Она резко снижала износ и уменьшала силу трения в 10 раз. Почти в то же время подобное явление было обнаружено в парах трения сталь-сталь в узлах трения компрессора домашнего холодиль­ника при смазывании маслофреоновой смесью. Благодаря это­му явлению компрессоры холодильников могут работать без ремонтов десятки лет.

Можно отметить следующую цепочку взаимообусловленных явлений, происходящих в смазочной системе компрессора и на поверхностях трения деталей:

-начальный период. В паре трения сталь-сталь сма­зочный материал окисляется под действием электрических за­рядов, образующихся при трении. Образовавшиеся кислоты растворяют поверхностные слои медных трубок и поставляют в смазочную систему ионы меди, которые циркулируют по сма­зочной системе и осаждаются на поверхности деталей только в зоне трения. Узкие щели между трущимися деталями по отно­шению к массе деталей представляют собой анодные участки, ионы меди втягиваются электрическими силами в зазоры со­пряжений, и в результате коллективного действия ионов меди образуется тонкая медная пленка, покрывающая поверхности трения деталей;

-установившийся режим. После того, как поверхности трения покрылись пленкой меди, пара трения сталь-сталь становится парой трения медь-медь. Это приводит к снижению сил трения и интенсивности окисления маслофреоновой смеси Прекращается растворение меди трубок. В случае нарушения сплошности медной пленки режим сопряжения становится более тяжелым, увеличивается сила трения, что вызывает усиление окислительных процессов в смазочном материале и, как следствие, растворение меди трубок и «залечивание» поврежденной поверхности. Автоматизм поддержания защиты поверхности трения от изнашивания обеспечивает длительную безызносную работу компрессора. В установившемся режиме трения медная пленка не разрушается, она может переходить с одной поверхности трения на другую, продукты износа удерживаются в зазоре электрическими силами. Пленка, защищающая поверх ности трения от изнашивания, называется сервовитной.

Процесс образования сервовитной пленки может быть создан искусственно в узлах трения сталь-сталь, сталь-латунь сталь-бронза. Так, при работе с металлоплакирующими смазочными материалами, изготовленными на основе техническое вазелина и смазки ЦИАТИМ с добавлением мелкодисперсных частиц бронзы, меди, свинца, серебра и др., в процессе работы пары трения порошки частично растворяются в смазочном материале кислотами, образующимися под действием электрических зарядов в паре трения. Ионы присаженных металлов восстанавливают окисные пленки на поверхности трения и прочие схватываются со сталью, образуется сервовитная пленка, которая обладает пористостью и содержит в порах смазочный материал. Коэффициент трения при высоких нагрузках снижается е десятки раз, и поверхности трения практически не изнашиваются. На ЭПС металлоплакирующие смазки имеют большие перспективы применения в узле трения МОП. При этом вкладышы МОП должны изготавливаться цельнолитыми из бронзы или латуни (без баббита), а узел смазки должен быть модернизирован чтобы обеспечивать подачу смазки в зазор между вкладышем МОП и осью колесной пары.