Восстановление изношенной поверхности полумуфты редуктора электровоза ВЛ85

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МГУПС)

ИНСТИТУТ  ТРАНСПОРТНОЙ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ (ИТТСУ)

 

 

Кафедра "Технология транспортного машиностроения и

ремонта подвижного состава"

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка

к курсовому  проекту

на тему:

«Восстановление изношенной поверхности полумуфты редуктора электровоза ВЛ85»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы ТВД-411 Зылева Н. А.

 

Проверил: Скляров  В.М.

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва – 2013

Содержание

 

Введение………………………………………………………...………….…..…4

1. Краткая характеристика изношенной детали и пары трения, в состав которой она входит………..………………….......……………………...….5
1. Назначение детали, её конструктивные особенности, уровень ответственности, программа ремонта…………………………….…8
2. Описание и анализ условий эксплуатации детали, характера её изнашивания, величины и характера нагрузок на деталь и т.д.....…9
3. Химический состав и свойства материала детали, её термообработка, твёрдость и свариваемость……………………………………..…….10
4. Основные технические требования к восстанавливаемой поверхности………………………………………………………….….11
2. Разработка технологического процесса восстановления изношенной детали………………………………………………………………….……12
1. Обоснование и выбор способа нанесения покрытия и принципиальной схемы технологического процесса ремонта детали…………  …..…12
2. Расчет оптимального состава и выбор марки материала покрытия……………………………………………………………….…17
3. Определение основных технологических параметров процесса нанесения покрытия…………………………………………..……...…19
4. Выбор технологического оборудования для нанесения покрытия………………………………………………………..………..22
5. Разработка или выбор оборудования для нанесения покрытий……………………………………………………………...….22

3.Техника безопасности  при нанесении покрытий………………….….23

Вывод…………………………………..………………………………...24

Список использованной литературы……………….……………….…25

 

Введение

Целью курсового проектирования является практическое изучение основных принципов разработки технологии восстановления деталей, получение инженерных навыков  в проектировании технологической  оснастки и приспособлений для наплавки, ознакомление и практическое применение справочной информации и т. п.

От рационально разработанного технологического процесса восстановления зависит работоспособность и  долговечность восстановленной  детали, а также экономическая  эффективность ремонта.

При разработке технологического процесса восстановления изношенной поверхности  полумуфты должны быть решены следующие  задачи:

а) выбор способа  восстановления изношенной поверхности;

б) выбор оптимального состава материала покрытия;

 в) определение  основных технологических параметров  процесса нанесения покрытий;

г) выбор технологического оборудования;

д) разработка вспомогательной технологической  оснастки и приспособлений для нанесения  покрытий;

На запасные части к локомотивам расходуется  свыше 40 % металла, идущего на изготовление этих машин.

Исследованиями установлено, что 85 % деталей машин становятся не работоспособными при износах  поверхностей не более 0,2...0,3 мм, а себестоимость  восстановления составляет 50...60 % от стоимости  новой детали. К тому же в последние  годы разработаны и применяются  технологии, которые позволяют получить ресурс восстановленной детали на уровне серийной и даже выше. Поэтому восстановление многих деталей является целесообразным и экономически выгодным. Об этом свидетельствует  опыт восстановления деталей в различных  отраслях экономики как в Российской Федерации, так и за рубежом.

 

1. Краткая характеристика изношенной детали и пары трения, в  состав которой она входит.

 

Полумуфта-составляющая часть  редуктора воздушного компрессора  КТ6Эл электровоза ВЛ85 и служит для  монтажа зубчатой передачи редуктора.

Электровоз ВЛ85 (рис. 1.1) предназначен для эксплуатации на железных дорогах страны, электрифицированных на однофазном переменном токе промышленной частоты (50 Гц) с номинальным напряжением 25 кВ.

 

Рис. 1.1. Общий вид электровоза ВЛ85

Электровоз рассчитан  на работу при напряжении в контактной сети от 19 до 29 кВ, температуре окружающей среды от -50 до +40 °С (предельное рабочее значение) и высоте над уровнем моря до 1 400 м. Электрооборудование, устанавливаемое в кузове электровоза, рассчитано на работу при температуре окружающей среды от -50 до +60 °С.

Блок мотор-компрессора  электровоза ВЛ85, изображенный на рисунке 1.2, состоит из компрессора 1 типа КТ6-Эл, редуктора 3 и электродвигателя 7, смонтированных на общем каркасе 9.

Передачу крутящего момента  от электродвигателя к компрессору  осуществляют через редуктор посредством  втулочно-пальцевых муфт 4, 12, полумуфты  которых соединены между собой  с помощью резиновых втулок 5 и  пальцев 10.

За счет деформации резиновых  втулок 5 муфты допускают относительное  смещение валов (поперечное, угловое) и  обеспечивают смягчение толчков  при передаче вращения. Они имеют  защитные ограждения 2, 6.

Каркас 9 представляет собой  сварную раму из швеллера № 16 с фрезерованными установочными плоскостями под  опорные поверхности электродвигателя, редуктора и компрессора. Для  фиксации указанного оборудования применяют  штифты 8, 11, 13.

Блок мотор-компрессора  крепят болтами 15 к скобам 14. После  установки блока скобы 14 приваривают  к полу кузова. Для транспортировки  блока предназначены два отверстия  в каркасе и рым-болт компрессора.

Рис. 1.2. Блок-мотор компрессор

 

Компрессор - предназначен для обеспечения сжатым воздухом тормозов, аппаратов вспомогательных цепей и пескоподачи электровоза. Компрессор КТ 6 двухступенчатый, трехцилиндровый с W – образным расположением цилиндров и воздушным охлаждением оборудован устройством для перехода  на холостую работу при вращающемся коленчатом вале.

 

 

Рис. 1.3. Компрессор КТ- 6

 

    На рисунке 1.3 приведена схема компрессора КТ6. Он имеет три цилиндра: два цилиндра первой ступени сжатия 1 и один цилиндр второй ступени сжатия 2. Атмосферный воздух всасывается в цилиндры первой ступени сжатия через фильтры 3 и после сжатия выталкивается в промежуточный охладитель через патрубки.  Из полостей 2 горячий воздух по трубкам 3 опускается в нижние коллекторы 4. Затем по трубкам 5 поднимается в полость 6 и через патрубок 7 всасывается в цилиндр второй ступени. Предохранительный клапан 8 отрегулирован на давление открытия 0,45 МПа (4,5 кгс/см2). Воздухоохладитель и цилиндры компрессора обдуваются вентилятором 5, имеющим клиноременный привод от вала компрессора. В клапанных коробках 6 (крышках цилиндров) каждого цилиндра установлен один всасывающий и один нагнетательный клапаны кольцевой конструкции.

Для передачи энергии от электродвигателя к компрессору  КТ6-Эл используется редуктор (рис. 1.4) со следующими техническими данными:

Таблица 1

Технические данные редуктора

Число зубьев:
зубчатого колеса
шестерни
Передаточное отношение
Натяг посадки зубчатого колеса и шестерни на валы полумуфт, мм	0,08-0,14
Осевой разбег конических подшипников, мм
Межцентровое расстояние зубчатой пары редуктора, мм

     Корпус редуктора состоит из двух разъемных половин — верхней и нижней. Нижняя половина служит масляной ванной для смазки зубчатых колес. Герметичность между обеими половинами корпуса обеспечивается специальной прокладкой из плоского резинового шнура и маслостойкой замазкой. Тонкий слой замазки наносят на поверхность стыка и кольцевой канавки с таким расчетом, чтобы при его затяжке болтами излишек замазки равномерно выступил по всему периметру. На боковых поверхностях корпуса редуктора имеются отверстия, служащие гнездами для подшипниковых узлов.

 

Рис. 1.4. Редуктор

 

Межцентровое расстояние между гнездами (и одновременно для  зубчатой пары) составляет 264,6 мм. Толщина  зубьев колеса и шестерни 8,32мм, замеряемая на высоте 4,485 мм от окружности выступов, выбрана с таким расчетом, чтобы  при вышеуказанном межцентровом расстоянии боковой зазор в зацеплении был бы в пределах от 0,1 до 0,3 мм. Уход за редуктором в процессе эксплуатации заключается в периодическом контроле за наличием и состоянием смазки в нижней половине корпуса. Уровень контролируют по рискам на масломере, размещенном на нижней половине корпуса. При установке нового или отремонтированного редуктора на каркас блока мотор-компрессора необходимо следить за правильностью совпадения осей редуктора, компрессора и двигателя. Допускаемое отклонение от соосности не более 0,5 мм. Замер соосности производят по наружным диаметрам полумуфт. Перекос валов контролируют по изменению размера зазора между торцами полумуфт, равного 2—6 мм при повороте муфт на 90, 180 и 270°. Правильно собранный и установленный редуктор обеспечивает вполне нормальную работу блок-мотор компрессора.

 

3. Назначение детали, её конструктивные особенности, уровень  ответственности, программа ремонта

 

Для соединения валов механизмов, передающих основные нагрузки, рекомендуется  применять зубчатые полумуфты (рис. 3.).

Полумуфта - составляющая часть редуктора, служит для монтажа зубчатой передачи редуктора.

Основными конструктивными  требованиями к детали данного типа являются точность диаметральных размеров, концентричность наружных и внутренних рабочих поверхностей, параллельность торцов и их перпендикулярность основной геометрической оси детали.

Рис. 2. Конструктивные особенности полумуфты

 

В табл. 2 представлены основные размеры и возможные дефекты полумуфты.

Таблица 2

       Основные размеры и возможные дефекты полумуфты

Условные обозначения	Размеры, мм	Возможные дефекты
d	60 72 80 90	Износ поверхности
	М 12-60 М 12-60	Износ, повреждение резьбы
	30	Износ отверстий  под пальцы

 

1.3 Описание и анализ условий эксплуатации детали, характера её изнашивания, величины и характер нагрузок на деталь

 

В системах для соединения валов электродвигателей с быстроходными валами редукторов и их тихоходных валов с барабанами, ходовыми колесами и другими сборочными единицами используют различные муфты. В таких соединениях муфты должны обеспечить не только передачу заданного крутящего момента, но и иметь возможность компенсировать различного рода смещения геометрических осей соединяемых валов.   

 Осевые D и радиальные d смещения валов (рис. 3, в и а), а также их угловой перекос (рис. 3, б) возникают, во-первых, в результате упругих деформаций деталей под нагрузкой, во-вторых – неточностей изготовления и сборки узлов. В реальных соединениях валов все эти виды смещений наблюдаются одновременно (рис. 3, г).

Рис. 3. Осевые и радиальные смещения валов

 

В процессе эксплуатации при передаче крутящего момента на валы действуют значительные нагрузки. Вследствие этих нагрузок определяются основные виды износов муфты редуктора:

а) износ по наружному  диаметру;

б) поломка по галтели  перехода с диаметра 90 мм до диаметра 200 мм;

в) заедание.

Возникновение того или  иного повреждения обусловлено  рядом факторов (условия смазки, наличие абразивной среды, режим  и характер выполнения работы, природно-климатические  условия и т.д.) в зависимости  от их наличия в каждом случае, одно из вышеуказанных повреждений может быть преобладающим. Из всех видов повреждений основной причиной выхода из строя считается износ контактирующих поверхностей (система соединения с натягом, зазором и переходная посадка). Уменьшить скорость изнашивания контактирующих поверхностей, за срок службы деталей, стремятся путем применения технологических, конструктивных и организационных мероприятий (выбор материала детали и режимов термообработки, размеров и количества шлицев, фильтрации масла, улучшения качества технического обслуживания и т.д.). Поэтому наличие указанных повреждений у деталей этих соединений носят вероятностный характер.

 

4.  Химический состав и свойства материала детали, её термообработка, твёрдость и свариваемость

 

Полумуфта изготовлена из конструкционной легированной стали 20ХН3А ГОСТ 4543 – 88 и проходит термическую обработку.

Назначение: шестерни, валы, втулки, силовые шпильки, болты, червяки, муфты и другие цементируемые  детали, к которым предъявляются  требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой  поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах. Ограниченно свариваемая.

    Химические и  механические и теплофизические свойства стали приведены в таблицах 3,4 и 5.

  Таблица 3.

Химический  состав стали 20ХН3А

Ni	Si	Mn	S	P	C	Сu	Cr
			не более
2,75…3,15	0,17…0,37	0,3…0,6	0,035	0,025	0,2	0,3	0,6…0,9

 

Таблица 4.

Механические свойства стали 20ХН3А

Временное сопротивление sВ, МПа	Предел текучести  sт, МПа	Относительное удлинение  d5, %	Относительное сужение  ψ, %	Ударная вязкость KCU ан, Дж/см2	Твёрдость основного металла, HB
не менее
931	735	10	45	69	294

 

Таблица 5.

Теплофизические свойства стали 20ХН3А

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20	2.12		36	7850		270
100	2.04	11.5	35	7830	494	300
200	1.94	11.7	34		507	350
300	1.88	12	33	7760	523	450
400	1.69	12.6	33		536	550
500	1.69	12.8	31		565	650
600	1.53	13.2	31	7660	586
700	1.38	13.6	30		624
800	1.32	11.2	28		703

 

Применение различных  методов дуговой наплавки обуславливает  учет такого свойства материала как  свариваемость, т. е. склонность к образованию  горячих и холодных трещин при  наплавке. Соединение считается качественным, если его механические, химические и физические свойства близки к свойствам  основного металла (металла восстанавливаемой  детали) и в соединении отсутствуют  дефекты в виде пор и неметаллических  включений. Свариваемость материалов в значительной степени определяет степень усложнения технологического процесса для получения необходимого качества наплавленного слоя.

Свариваемость, в основном, определяется содержанием углерода и легирующих элементов (для сталей). С увеличением содержания этих элементов  свариваемость ухудшается, т. е. возрастает вероятность образования различных  видов дефектов в наплавленном металле  и зоне термического влияния.

Влияние углерода и легирующих элементов на склонность к возникновению  трещин можно оценить по эквивалентному содержанию углерода, по формуле:

 

Ограниченно сваривающиеся, у которых С_экв в пределах 0,35—0,45; они склонны к образованию трещин при сварке в обычных условиях. При наплавке таких сталей необходима предварительная термообработка и подогрев. Большинство сталей этой группы подвергают термообработке и после сварки или наплавки.  

5.  Основные технические требования к восстанавливаемой поверхности

   Полумуфта имеет габаритные размеры Æ330´265 мм, вес 26,5 кг. Износ 0,5 мм.

Технические требования, предъявляемые  к детали:

Полумуфту обработать, обеспечив следующие механические свойства:

-твёрдость  НВ 217…241;

-ударная вязкость  – 9 кгм/см²;

-предел прочности  – 70 кг/мм²;

-предел текучести  – 50 кг/мм²;

-относительное  удлинение – 10%;

-относительное  сужение – 50%;

 

 

2.  Разработка технологического  процесса восстановления изношенной детали

2.1 Обоснование и выбор способа нанесения покрытия и принципиальной схемы технологического процесса ремонта детали

 

Выбор рационального способа  является одним из основных вопросов при разработке технологического процесса восстановления детали. Выбор способа  восстановления базируется на условии  обеспечения наибольшей долговечности  детали при наименьших затратах на восстановление. Для восстановления одной и той же детали обычно пригодны несколько способов, в основном неравноценных  по своим технико-экономическим  показателям.

Для выбора рационального  способа наплавки изношенной поверхности  необходимо знать технологические  возможности каждого из выбранных  способов ( табл.6).

Таблица 6.

Выбор способа восстановления изношенной детали проводится по 3-м  основным критериям:

-критерий применимости;

-критерий долговечности;

-критерий технико-экономической эффективности.

Критерий  применимости позволяет из различных  способов восстановления выбрать тот, который наиболее полно удовлетворяет  требованиям восстановления данной детали.

Применимость способа  восстановления к конкретной детали определяется конструктивно-технологическими характеристиками. К ним относятся:

- форма и размеры детали;

- материал детали, его термическая обработка и свариваемость;

- характер и величина эксплуатационных нагрузок, воспринимаемых деталью;

- твердость рабочей поверхности;

- величина износа;

- точность изготовления детали;

- программа ремонта детали.

В таблице 6 приведены рациональные способы нанесения покрытий в зависимости от химического состава стали и вида термической обработки с учетом износа детали и толщины стенки в месте износа.

Таблица 6.

Преимущественное применение при восстановлении полумуфты получили следующие виды наплавки: вибродуговая наплавка в различных защитных средах, плазменное напыление, электроконтактная наплавка и газопламенное напыление.

Рассмотрим преимущества и недостатки каждого из способов восстановления.

 

 

2.1.1 Вибродуговая наплавка

Восстановление изношенных деталей из стали марок 40Х, 30ХМА, 40Х, 45Х, 38ХС, 20ХН3А, 30ХН3А, 30ХНМА по ГОСТ 4543 рекомендуется выполнять вибродуговой наплавкой.

Сущность вибродуговой наплавки состоит в том, что во время плавления электроду сообщается колебательное движение (около 100 колебаний в секунду) с периодическим замыканием дугового промежутка и принудительным переносом электродного металла в наплавочную ванночку.

Наплавлять можно на воздухе, в  среде защитного газа или с  подачей жидкости к месту дугового разряда. Наибольшее распространение  получила вибродуговая наплавка в жидкой среде.

Сущность процесса автоматической вибродуговой наплавки заключается  в следующем.

Рис. 4. . Схема установки для вибродуговой наплавки детали

 

1 – реостат; 2 – источник тока; 3 – подвод жидкости; 4 – подающий  механизм; 5 – кассета для проволоки; 6 – вибратор; 7 – пружина; 8 – шестеренчатый  насос; 9 – мундштук; 10 – наплавленный  слой; 11 – деталь шестеренчатый  насос; 12 – бак с охлаждающей  жидкостью.

 

Деталь зажимается в патроне  токарного станка (рис.4).

На суппорте устанавливается наплавочная  головка, конструкция которой специально разработана для реализации данного  вида наплавки. Она обеспечивает автоматическую подачу к детали электродной проволоки  при непрерывной ее вибрации. К  детали и проволоке подводится напряжение 12…22 В от источника постоянного  тока. Полярность - обратная, т. е, электрод подключается к положительному полюсу. Процесс вибродуговой наплавки состоит из трех последовательно повторяющихся периодов (рис.5).

Осциллограмма напряжения и тока дуги при малой индуктивности 

дуги.

Рис. 5. Осциллограмма напряжения и тока дуги при малой индуктивности дуги.

1 – период короткого  замыкания; 2 – период горения; 3 –  период холостого хода.

 

Вибрация  электродной проволоки осуществляется электромагнитными механическими  вибраторами с частотой 50…100 Гц. Период горения дуги составляет 4…10 мс (миллисекунд).

В момент короткого  замыкания наплавочной цепи напряжение резко падает до нуля, а сила тока быстро возрастает до максимального  значения. При разрыве цепи напряжение между электродами мгновенно  повышается до 24…30 В и возникает  кратковременный дуговой разряд. В этот период происходит перенос  металла на деталь. При дальнейшем увеличении электродного промежутка дуга гаснет, так как напряжение холостого  хода источника тока становится недостаточным  для поддержания стабильного  дугового разряда. Далее цикл повторяется.

Для устойчивости горения дуги в  наплавочную цепь включают индуктивное  сопротивления – несколько витков дросселя сварочного трансформатора СТЭ-34. Индуктивность снижает импульс  тока в момент короткого замыкания, уменьшает период холостого хода и увеличивает длительность дугового разряда при замыкании электродов.

Качество  наплавляемого слоя зависит от режимов, скорости его охлаждения и вибрации электрода.

Охлаждающая жидкость защищает наплавочную  ванну от воздействия воздуха, способствует быстрому охлаждению детали, в результате чего происходит закалка наплавляемого  слоя, а также она предохраняет деталь от

деформации.

Для этой цели в зону наплавки насосом  токарного станка через мундштук головки подается охлаждающая жидкость (электролит). В качестве охлаждающей  жидкости применяется 4…6%-ный раствор кальцинированной

соды и 0,5% минерального масла или 15…20%-ный раствор технического глицерина и др.

Вибродуговая наплавка имеет следующие  достоинства: можно восстановить детали, имеющие термическую и термохимическую обработки (шейки распределительных валов, цапфы крестовин дифференциала, опорные шейки разжимных кулаков и др.); зона термического влияния имеет малую величину (0,5…0,2 мм), сердцевина

детали не изменяет своей структуры; высокая, хотя и неравномерная, твердость.

Основной недостаток вибродуговой наплавки в жидкости – большое  влияние ее на снижение выносливости восстанавливаемой детали. Расход жидкости обычно составляет не более 0,5 л/мин. Несмотря на это, предел выносливости снижается  на 20…40% по сравнению с основным металлом, потери металла на угар и  разбрызгивание составляют 25…30%. Для получения мягкой наплавки в качестве электродов используется проволока марки СВ08, СВ10 или СВ10ГС. Эти поверхности хорошо обрабатываются резцами и фрезами. Перед наплавкой деталь должна быть выправлена, а в случае эксцентрического износа обработана так, чтобы биение не превышало 0,3—0,5 мм. Поверхность детали необходимо очищать от загрязнений. Наплавку следует вести послойно. После наплавки каждого слоя следует очищать поверхность детали до металлического блеска щеткой или обрабатывать шлифованием. Рекомендуется применять режимы наплавки в следующих пределах: сила  тока120—250а; напряжение18—22В; скорость подачи электродной проволоки  14—22мм/сек; диаметр электродной проволоки 1,5—2мм.

 При соблюдении рациональных технологических режимов наплавленный слой хорошо соединяется с основным металлом. Структура и твердость металла в значительной степени зависят от марки проволоки, количества наплавляемых слоев и интенсивности охлаждения. Величина зоны термического влияния обычно колеблется при незакаленных деталях от 0,6 до 1 мм и при закаленных — от 1,5 до 3 мм. Наличие остаточных напряжений растяжения в зоне наплавки в сочетании с пониженными пластическими свойствами наплавленного металла, способствует образованию радиальных микротрещин. Эти трещины длиной до 1,5 мм наблюдаются в наплавленном слое и в зоне термического влияния. Они более характерны при наплавке высокоуглеродистой проволокой.

Недостатки процесса следующие: 
- снижение усталостной прочности до 60 % из-за образования закалочных структур в материале, вызывающих растягивающие напряжения и неоднородность твердости (в местах перекрытия точек сварки в результате отпуска твердость снижается); 
- наличие пор в покрытии но причине быстрого перехода металла из жидкого состояния в твердое.

2.1.2 Плазменное напыление

Процесс нанесения покрытия на поверхность детали (изделия) с  помощью плазменной струи. Плазменная струя – это частично или полностью  ионизированный газ, обладающий свойством  электропроводности и имеющий высокую  температуру.

Различают высоко- и низкотемпературную плазму. Первая практически ионизирована, и ее электронная температура  оценивается в сотни тысяч  и более градусов. Низкотемпературная плазма, с температурой в несколько  тысяч или десятков тысяч градусов, ионизирована частично и содержит значительную часть нейтральных частиц.

Низкотемпературная плазма – многокомпонентная система, состоящая  из атомов или молекул в основном состоянии; молекул, атомов, радикалов  в различных возбужденных квантовых  состояниях; ионов, электронов. Для  нанесения плазменных покрытий применяется  низкотемпературная плазма.

Сущность плазменного  напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подается распыляемый материал, который нагревается, плавится и  в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с  поверхностью основы или напыляемым материалом и формирование покрытия.

Плазменный процесс состоит  из трех основных стадий:

1)  генерация плазменной  струи; 

2) ввод распыляемого материала  в плазменную струю, его нагрев  и ускорение; 

3) взаимодействие плазменной  струи и расплавленных частиц  с основанием.

Плазменным напылением наносятся  износостойкие, антифрикционные, жаро-, коррозионностойкие и др. покрытия.