Тестовая

Статья о видах износа колес мостовых кранов.

Экспериментальная часть диссертационной работы выполнялась на металлургическом заводе им. Петровского.

Успешное выполнение грандиозной программы пятого пятилетнего плана развития СССР, предусматривающего увеличение в 1955 году объема промышленной продукции в 3 раза по сравнению с 1940 годом, происходит на основе широкой механизации трудоемких производственных, процессов во всех отраслях народного хозяйства Советского Союза. Директивы партии по пятому пятилетнему плану обязывают завершить, в основном, в течение пятой пятилетки механизацию тяжелых и трудоемких работ в промышленности и строительстве.

Развитие народного хозяйства тесно связано с развитием мостового краностроения, так как мостовые краны являются наиболее массовыми средствами механизации погрузочно-разгрузочных работ на производстве.

В связи с интенсификацией технологических процессов на металлургических предприятиях надежная и длительная работа мостовых кранов имеет большое значение, так как выход из строя кранов может вызвать значительное сокращение или полную остановку всего технологического процесса. Существенным препятствием для повышения производительности кранов является недостаточная стойкость их ходовых колес, которые являются наиболее быстро изнашиваемыми деталями кранов. Интенсивный износ ходовых колее снижает производительность крана и ведет к удорожанию его работы. Удорожание происходит не только за счет стоимости изготовления новых колес, но также и за счет эксплуатационных расходов вследствие потерь от простоев кранов во время ремонтов; потерь в производстве при нарушении технологического потока, а также потерь из-за повышенного расхода электроэнергии, затрачиваемой на передвижение крана, так как неравномерный износ ходовых колес увеличивает перекосы крана и, следовательно, сопротивление передвижению.

Проблема износа ходовых колес, несмотря на важность ее, в настоящее время еще не решена полностью. Систематизированных данных по износу ходовых колес в эксплуатации нет. Сложность явления износа колес, отсутствие данных о механизме износа их, а также отсутствие обстоятельных лабораторных испытаний, на изнашивание сталей, применяемых для изготовления ходовых колес, привели к тому, что вопрос о правильном подборе материала остается не выясненным.

Целью настоящей работы явилось изучение механизма изнашивания ходовых колес мостовых кранов, выявление и изучение основных факторов, влияющих на интенсивность износа. колес и-установление необходимых мероприятий для сведения влияния этих факторов к минимуму.

Первая часть настоящей работы посвящена анализу отдельных факторов, влияющих на износ ходовых колес, расчету ходовых колес и обзору опубликованных материалов о лабораторных исследованиях износа углеродистых сталей.

Анализ влияния отдельных факторов на износ ходовых колес показал, что все факторы можно разбить на две основные группы:

  • первая группа – факторы внешнего воздействия на ходовые колеса;
  • вторая группа – факторы, связанные с внутренними свойствами ходовых колес и подкрановых рельсов.

Факторы первой группы могут быть подразделены, в свою очередь, на факторы зависящие:

а) от конструктивных особенностей крановых мостов и ходовых частей кранов;

б) от конструктивных особенностей ходовых колес;

в) от правильности монтажа и точности изготовления ходовых колес;

г) от условий эксплуатации.

Основной группой, определяющей вид износа и скорость его развития, является первая группа факторов, то есть группа факторов, обусловленных внешним воздействием на поверхность трения, несмотря на то значительное влияние, которое могут иногда оказать на износ внутренние свойства металла (механические свойства, усталостные характеристики и т. д.). Факторы первой и второй групп в значительной мере связаны между собой.

В главе, посвященной расчету ходовых колес, рассматриваются достижения отечественных ученых в области решения контактных задач и приводится анализ употребляемых методов расчета. Расчет ходовых колес мостовых кранов в настоящее время производится исходя из допустимых величин напряжений местного смятия по формулам Герца-Беляева. Несмотря на некоторую условность применения этих формул, заключающуюся в том, что действительная картина напряженного состояния поверхностных слоев ходовых колес не вполне отвечает начальным условиям, принятым при выводе формул, расчёт ходовых колес по формулам Герца-Беляева, скорректированных профессором Ковальским, является достаточно точным и проверенным практикой.

Недостатком, употребляемого в настоящее время расчета ходовых колес, является отсутствие возможности учесть в нем износ поверхностей качения и реборд ходовых колес. Поверхностные слои рабочих частей ободов ходовых колес работают в сложных условиях трения качения и скольжения, подвергаются циклическим контактным нагрузкам и в то же время непрерывно изнашиваются. Износ ходового колеса, безусловно, отражается на дальнейшей его работе.

Особенно важно учесть в расчете износ реборд ходового колеса, так как этот вид износа встречается наиболее часто и служит основной причиной выбраковки ходовых колес.

Из рассмотрения опубликованных работ по износу различных сортов углеродистых сталей следует, что большинство исследователей пришло к выводу о повышении истираемости углеродистой стали в различных структурных состояниях при снижении в ней процентного содержания углерода. Различными методами испытаний на изнашивание получены зависимости, свидетельствующие об увеличении износостойкости стали при повышении ее твердости. Исследователи указывают на микроструктуру, как на основную базу для анализа износоупорности углеродистых сталей. Исследованиями износостойкости сталей на машине трения Амслера установлено, что при самом незначительном скольжении износ резко возрастает по сравнению с износом при чистом качении.

Экспериментальная часть работы посвящена изучению износа ходовых колес мостовых кранов в производственных условиях. Кроме изучения износа колес мостовых кранов в эксплуатационных условиях были произведены лабораторные исследования их механических свойств, макро- и микроструктуры, а также химического состава.

Для исследования были выбраны ведущие и ведомые ходовые колеса, находившиеся различное время в эксплуатации, изготовленные посредством литья и ковки, работавшие на подкрановых рельсах с плоской и выпуклой головками и имевшие разные виды износа. Производилось также металлографическое исследование рабочих участков ободов ходовых колес и продуктов их износа.

С целью выявления характера износа и причин изнашивания ходовых колес мостовых кранов различных типов и грузоподъемностей было проведено большее количество наблюдений за износом колес кранов заводов Юга.

В результате наблюдений было установлено, что основными видами износа рабочих частей ободов ходовых колес являются следующие:

а) износ реборд ходовых колес;

б) образование проката на поверхности качения;

в) возникновение продольных трещин на поверхности качения и связанное с ними выкрашивание металла с этой поверхности;

г) образование вмятин на рабочей поверхности ходовых колес.

Из указанных видов износа, служащих причиной замены колес, решающее значение имеет износ их реборд. Наблюдения показали, что свыше 50% колес, от общего числа изношенных и снятых с кранов, имеют износ по ребордам.

На практике можно наблюдать хорошую работу ходовых, колес, находящихся в эксплуатации 2–3 года и больше. Как правило реборды колес таких кранов находятся в удовлетворительном состоянии и износ колес в этих случаях заключается в уменьшении диаметра окружности качения. В тех же случаях, когда износ происходит по ребордам, срок службы колес резко сокращается и составляет 3–5 месяцев, а иногда снижается до 1–2 месяцев.

Для более тщательного изучения износа ходовых колес в эксплуатационных условиях было установлено непрерывное наблюдение за их износом.

В целях получения идентичности эксплуатационных условий, работы колес объектами для постоянных и систематических наблюдений за износом ходовых колес были выбраны четыре мостовые электрические краны с лапами грузоподъемностью в 5 тонн каждый, работающие в одном цехе на двух параллельных пролетах, по два на каждом пролете, одного из заводов Юга. Краны работают напряженно в течение трех смен и почти, всегда с предельной нагрузкой. Три крана имеют одинаковую конструкцию, ходовые колеса их установлены на подшипниках скольжения. Четвертый кран отличается от трех первых по конструкции, ходовые колеса его установлены на подшипниках качения.

Для получения характеристик абсолютных наибольших величин износа и определения его вида, измерение износа производилось путем проведения следующих работ:

  1. клеймения нового ходового колеса, замера его основных параметров по специальной схеме, замера твердости и снятия гипсового отпечатка с рабочей части обода;
  2. замеров основных размеров колеса, замеров твердости поверхности качения и реборд, а также снятия гипсовых отпечатков-во время остановок крана на текущий ремонт (то есть через каждые пятнадцать дней) и после выхода колеса из строя.

Наблюдение за износом ходовых колес указанных кранов производилось в течение 16 месяцев, за этот период было произведено 127 обмеров колес и снято 68 гипсовых слепков.

Исследованиями износа ходовых колес в эксплуатации установлено, что износ их происходит главным образом по ребордам, которые часто истираются на 30-60%, а иногда даже полностью раскатываются. В результате сопоставления гипсовых отпечатков, снятых с одних и тех же ходовых колес в различные. периоды их эксплуатации, выявлено, что износ ходовых колес сопровождается пластическими деформациями металла, в результате которых образуются наплывы металла на поверхности качения ходовых колес со стороны реборд, а также гребни на внутренних кромках реборд.

Наличие продуктов износа в виде различной формы лепестков металла, а также сопоставление, профилей ободов ходовых колёс, снятых до и после эксплуатации колеса, дает основание считать истирание металла вследствие трения скольжения одним из главных факторов образования износа поверхности качения и особенно реборд ходовых колес. Установлено также, что ходовые колеса как ведущие, так и ведомые изнашиваются равномерно по всей окружности и по величине износа почти не отличаются друг от друга. Повышенный износ поверхности качения ведущих колес по сравнению с износом ведомых наблюдается лишь, в случае длительной эксплуатации колес и объясняется наличием больших тангенциальных сил, возникающих: в месте контакта ведущих колес с подкрановыми рельсами при работе крана. В результате сравнений величин износа ходовых колес, имеющих различную твердость выявлено, что их износ тем меньше, чем выше твердость их рабочих поверхностей.

В процессе эксплуатации ходовые колеса прирабатываются к подкрановым рельсам, радиусы закруглений между ребордами и поверхностями качения колес становятся равными радиусам закруглений головок рельсов или превышают их на величину 0,5-1 мм.

В результате сравнительных измерений твердости ходовых колес, произведенных в различные периоды их эксплуатации, выявлено повышение первоначальной твердости поверхности качения и реборд в результате наклепа. Наибольшее увеличение твердости (на 70-110 единиц Бринеля) наблюдается около середины поверхности качения ходовых колес.

Применение в качестве подкрановых путей, рельсов с закругленными головками отрицательно влияет на долговечность работы ходовых колес с цилиндрической поверхностью качения.

Влияние коррозии на износ рабочих поверхностей ходовых колес ничтожно мало.

На основе изучения наиболее часто встречающихся видов износов и в результате обработки статистических данных о выходе ходовых колес из строя, вследствие обнаружения того или иного дефекта, были отобраны наиболее характерные экземпляры, которые подверглись лабораторному исследованию. Из отобранных колес были вырезаны поперечные темплеты.

Для вырезанных темплетов было произведено:

  1. определение химического состава на пять основных элементов: углерод, марганец, кремний, серу, фосфор;
  2. испытание на растяжение гагаринских разрывных образцов малого размера для определения временного сопротивления разрыву, относительного удлинения, относительного сужения и предела упругости;
  3. испытание на удар образцов малого размера с надрезом типа Менаже для определения ударной вязкости;
  4. испытание поперечных темплетов на твердость;
  5. снятие отпечатков на макроструктуру по методу Баумана;
  6. изучение микроструктуры.

Результаты лабораторных исследований показали, что все исследованные колеса изготовлены из углеродистых доэвтектоидных сталей и имеют перлито- ферритную или феррито-перлитную структуру различной величины зёрна. Содержание углерода в исследованных колесах колеблется в пределах от 0,18 до 0,58%; марганца от 0,50 до 0,88°/0; кремния от 0,17 до 0,40%; серы от 0,028 до 0,040%; фосфора от 0,032 до 0,064%. Ударная вязкость темплетов изменяется от 0,86 до 3,72 кгм/см2. Временное сопротивление образцов колеблется от 36,3 до 87,7 кг/мм2. Твердость поперечных темплетов находятся в пределах от 116 до 228 единиц Бринеля.

Таким образом, все исследованные колеса (за исключением одного, имеющего пониженное временное сопротивление равное 36,3 кг/мм2) удовлетворяют требованиям «Основных данных по проектированию и расчету кранов».

Анализ процесса изнашивания ходовых колес представляет значительные трудности, так как для этой цели еще не разработаны такие приемы, которые позволили бы полностью и точно оценивать возникающие при этом процессе явления. О механизме разрушения приходится судить, в основном, по результатам процесса изнашивания. Поэтому помимо наблюдений за износом колес в эксплуатации и лабораторных исследований поперечных темплетов было проведено исследование участков ходовых колес, примыкающих к поверхности качения и ребордам колес, а также изучение самих поверхностей трения и продуктов износа ходовых колес.

Металлографическое исследование рабочих участков ободов производилось путем изучения микрошлифов, которые вырезались из поперечных темплетов таким образом, чтобы они включали в себя рабочие поверхности. Такие микрошлифы приготовлялись для всех исследуемых ходовых колес. Из каждого колеса приготовлялось по 7-8 микрошлифов, вырезанных по периметру рабочей части обода ходового колеса. Для того, чтобы можно было изучать слои металла, прилегающие непосредственно к поверхностям трения, с помощью специальных струбцин изготовлялись точные шлифы, то есть такие, у которых края шлифов при полировке не были бы «завалены».

При изучении продуктов изнашивания частицы износа рассматривались под микроскопом, а затем из них приготовлялись микроизлифы. Изготовление микрошлифов частичек износа производилось обычным путем после предварительного помещения их в органическое стекло.

Микроанализ изношенных ходовых колес показал наличие резких пластических деформаций, в направлении действия сил трения, зерен металла, расположенных вблизи изношенных поверхностей. При рассмотрении износа реборд установлено, что износ реборд происходит от трения скольжения, которое сопро¬вождается пластической деформацией поверхностных слоев металла реборд, однако эффект пластической деформации в значительной мере скрадывается непосредственным срезанием и скалыванием частиц истираемой поверхности. Истирание сопровождается вырывом частиц металла с поверхности реборд, Вы рывы имеют клинообразную форму; направление вырывов соответствует циклоидам, описываемым различными точками реборд; размеры вырываемых частиц изменяются в зависимости от величины зерна металла ходовых колес.

В зонах контакта под действием давления и сил трения поверхностные слои реборд приходят в состояние повышенной пластичности и перемещаются в направлении к серединам рабочих поверхностей ходовых колес, образуя на них наплывы, представляющие собой тонко раскатанные и вытянутые зерна металла реборд. Чем ниже статический предел текучести металла ходовых колес, тем интенсивнее проявляется его пластич¬ность, тем большей величины достигают указанные наплывы.

При исследовании износа поверхностей качения ходовых колес установлено, что выкрашивание металла с поверхностей качения является результатом развития закалочных трещин, образовавшихся в процессе неправильно произведенной поверхностной закалки рабочих частей сводов ходовых колес.

Из рассмотрения микрошлифов, включающих в себя поверхность качения ходовых колес, выявлено наличие больших пластических деформаций металла колес на самой поверхности качения и в глубине под поверхностью качения. В зависимости от твердости материала ходовых колес деформация металла в глубину распространяется на 5-10 мм для твердых и на 10-15 мм для мягких колес.

Благодаря наклепу этот слой приобретает повышенное сопротивление дальнейшей деформации и предохраняет от. смятия нижележащие слои. Максимальную твердость имеет поверхностный слой; по мере удаления от поверхности в глубину твердость наклепанного слоя металла постепенно понижается.

При исследовании микрошлифов установлено, что направление деформаций металла на поверхностях качения ходовых колес мостовых кранов одинаково для всех двухребордных колес и не зависит от грузоподъемности кранов, параметров ходовых колес, а также от типов подкрановых рельсов. Металл поверхностей качения ходовых колес деформируется в направлении от реборд к средней части поверхности качения. В каждом колесе наблюдается узкая полоска, расположенная поблизости от середины поверхности качения колеса и проходящая по всей длине окружности колеса, в которой встречаются разнонаправленные деформации поверхностных слоев ходовых колес. Такое направление деформации различных участков поверхности качения ходовых колес свидетельствует о значительных поперечных проскальзываниях колес во время эксплуатации.

На поверхности качения колеса зерна металла, раскатываясь в направлении деформации, образуют «лепестки», которые при работе ходового колеса в очень большой степени наклепываются, затем переходят в состояние перенаклепа, становятся хрупкими и вслед за этим происходит механический отрыв «лепестков».

Испытание на микротвердость шлифов, приготовленных из продуктов износа, на приборе ПМТ-3 показало значительное повышение твердости лепестков по сравнению с твердостью металла до деформации.

Для определения характера движения мостовых кранов по подкрановым путям были проведены экспериментальные замеры перекосов крана в пути. Параллельно с этим производилась фиксация положений реборд ходовых колес относительно подкрановых рельсов. До начала испытаний была проведена горизонтальная съемка подкрановых путей с помощью теодолита.

В результате проведенных испытаний было установлено, что эксплуатационные углы перекосов крановых ферм, то есть углы перекосов, образовавшиеся во время работы кранов, меньше теоретически возможных углов, подсчитанных по формулам, замеры перекосов крана в пути показали, что величины и направления его перекосов при движении изменяются. Кран попеременно забегает то одной, то другой стороной.

Установить какую-либо закономерность в изменении направления перекоса или его величины, не удается, так как эти факторы меняются в зависимости от состояния подкранового пути, положения грузовой тележки на мосту крана и других причин. Перекосы кранов ограничиваются как внутренними, так и внешними ребордами. Ограничение перекосов производится, в основном, ребордами тех ходовых колес, которые имеют минимальные суммарные зазоры между головкой подкранового рельса и ребордами ходового колеса, а также между ступицами колес и концевыми балками моста.

До время движения крана только в отдельные моменты наступает совпадение действительного перемещения крана с направлением его движения. В результате несовпадения направления движения и действительного перемещения крана происходит поперечное проскальзывание ходовых колес.

Выводы

  1. Результаты наблюдений за износом ходовых колес в эксплуатационных условиях, сопоставления гипсовых отпечатков, снятых с рабочих частей ободов в различные периоды эксплуатации колес, а также результаты лабораторных исследований изношенных колес и продуктов их износа, позволяют сделать вывод, что основной причиной износа подавляющего большинства ходовых колес является истирание, сопровождающееся пластическими деформациями поверхностных слоев рабочих частей ободов ходовых колес.
  2. Характер перемещения ходовых колес по подкрановым рельсам и направление деформаций в поверхностных слоях ободов ходовых колес дают основание считать основным видом износа – износ от трения скольжения, возникающего при поперечных и продольных проскальзываниях колес. При этом более существенную роль играет поперечное проскальзывание ходовых колес.
  3. Ввиду того, что износ реборд и поверхностей качения ходовых колес происходит в результате трения скольжения, целесообразно наряду с расчетом ходовых колес по формулам Герца-Беляева производить дополнительный расчет на истирание. Особенно важно для практики производить расчет реборд ходовых колес на истирание, так как их износ является наиболее частым видом износа. Для вывода такой формулы необходимо произвести широкие испытания на изнашивание сталей, употребляемых для изготовления ходовых колес, на специальной машине трения, воспроизводящей работу двухребордных колес на подкрановом рельсе.
  4. Исходя из металлографических исследований ходовых колес, находившихся различное время в эксплуатации и имеющих различные виды и степень износа, можно сделать вывод о том, что для изготовления колес мостовых кранов должны употребляться стали, имеющие химический состав, близкий к эвтектоидному. Микроструктура их должна представлять собой мелкопластинчатый перлит или сорбит.
  5. Повышение твердости рабочих частей ободов колёс по средством поверхностной закалки целесообразно производить до 350-400 Нв для поверхности качения ходовых колес и до 300-350 Нв для реборд. Дальнейшее увеличение твердости ходовых колес допустимо только в случае повышения твердости головок подкрановых рельсов, поэтому следует считать рациональным применение сорбитизации головок подкрановых рельсов.
  6. Большие возможности в повышении сроков службы имеет применение конических ходовых колес, которые полностью или в значительной мере устраняют наиболее часто встречающийся вид износа – износ реборд. В связи с широким распространением поверхностной закалки ходовых колес, а также с применением в качестве подкрановых рельсов специальных крановых рельсов «КР».

в настоящее время имеются все возможности для массового применения кранов, установленных на конических колесах.

Диссертация состоит из 147 страниц текста и 126 фигур. Указатель использованной литературы содержит 45 источников.

^ Наверх