Оцінка впливу структурного чинника на втомну повреждаемость деталей, працюючих в умовах циклічного вантаження

"Промисловість у фокусі"
стор. 55, №7(79), липня 2019

Скобло Т. С., д.т.н., професор, Романюк С. П., к.т.н., Кузьменко А. А.
(Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. П. Василенко)

Демченко С.В., директор
(ТОВ "НВП "УКРІНТЕХ")

Вступ

Технологічні процеси переробки насіння олійних культур при виробництві рослинної олії включають певний набір операцій, пов'язаних з підготовкою насіння до зберігання і подальшого витягання олії, його відділення пресуванням або екстракцією, а також очищення. Маслоотделение є однією з найскладніших складових цього процесу, на який впливають технологічні і конструктивні чинники. Велика увага при дослідженнях приділяється мірі стискування мезги насіння олійних культур, оцінці створюваного тиску і стабільності технологічного процесу [1,2]. Проте, слід враховувати конструктивні особливості і експлуатаційну стійкість основної деталі пресу - шнекового валу, руйнування якого приведе до виходу з експлуатації усього устаткування.

Тому метою роботи є оцінка структурного чинника на втомну повреждаемость шнекового валу, працюючого в умовах циклічного вантаження.

Для досягнення поставленої мети співробітниками університету ХНТУСХ проведені дослідження спільно з центром ТОВ "НВП "Укрінтех" на сучасному устаткуванні провідних світових брендів.

Методика і результати досліджень

У цій роботі виконані комплексні дослідження структури і властивостей шнекового валу маслопреса (рис.1). Проведений детальний аналіз валу після передчасного закінчення терміну його служби.

Мал. 1. Загальний вигляд шнекового валу

Для визначення марки стали, з якої виготовлений вал, був проведений спектральний аналіз на оптико-эмиссионном спектрометрі Metavision1008i (мал.2).

Зовнішній вигляд оптико-эмиссионного спектрометра Metavision1008i

Хімічний склад металу шнекового валу, отриманий за допомогою оптико-эмиссионного спектрометра Metavision, - 1008i, представлений в таблиці 1.

Таблиця 1. Хімічний склад металу шнекового валу

В результаті спектрального аналізу зразка встановлено, що по хімічному складу матеріал валу відповідає сталі ШХ15СГ(регламентується ГОСТ 801 - 78).

Для зміцнення валу проводили термообробку в карбидо-кремниевой електропечі з попереднім підігрівши деталі до 700-800°З в течії 15-20 хв. Загартування здійснювали при температурі 850-920°З в течії 1ч. у олії МЗМ 26(10-15°С) з подальшою низькою відпусткою при t = 170-220°З(2 ч.). Твердість після термічної обробки склала 54-62 HRC.

Дослідження дегроадаційних процесів валу проводили після закінчення його терміну експлуатації, аналізували як макро-, так і мікроструктуру.

В процесі аналізу макрофотографій поверхні зламу встановили, що він має крихкий характер руйнування(мал. 3), що виник в результаті циклічних навантажень. На поверхні і по пазу шпони є присутніми тріщини, характерні втомній повреждаемости.

Мал. 3 Зображення поверхні зламів валу

Виявлені множинні сколы на поверхні, які можуть свідчити про те, що в процесі експлуатації сформувалася внутрішня напруга. Можливо, це була одна з причин руйнування валу. Для визначення рівня виникаючої напруги в процесі експлуатації і щоб уникнути передчасного руйнування валу доцільно проводити періодичний неруйнівний контроль з оцінкою змін свідчень коэрцитивной сили за допомогою коерцитиметра.

Окрім цього, проведені металографічні дослідження на оптичному мікроскопі (мал.4), в структурі металу шнекового валу на нетруєній поверхні шліфа виявили неметалічні(які служать концентраторами локальної напруги) включення. Це глобулярні включення, середній бал яких відповідає 4-у порядку, а також силікати 3-го балу.

Мал.4. Лабораторний інвертований промисловий мікроскоп світлого поля для дослідницьких цілей

Включення розташовані по усій поверхні шліфа(мал. 5), також зустрічаються місця з їх великим скупченням(мал. 5).

Мал. 5. Основні дефекти структури досліджуваного валу(х100)

В результаті досліджень виявлена і оцінена карбідна сітка в сталі шнекового валу при збільшенні х200 і х500 (згідно вимог ГОСТ 801-78 [3]). Встановлено, що у полі зору шліфа мають місце карбідна сітка по межах зерен (мал. 6). Бал карбідної сітки 5-го порядку.

Мал. 6. Карбідна сітка в сталі ШХ15СГ при збільшенні х200 (ліворуч) і х500 (праворуч)

Одночасно в результаті металографічного аналізу була виявлена карбідна смужчатість і світлі смуги (мал. 7). Виявлена структурна неоднорідність і наявність великої кількості неметалевих включень призводять до руйнування валу в результаті дії циклічних навантажень.

Мал. 7. Мікроструктура металу валу при збільшенні х50 (ліворуч) і х500 (праворуч)

При заварці тріщин в деталях із сталей з великою кількістю неметалических включень рекомендується здійснювати наплавлення методом електродуги з введенням модифікуючих добавок у вигляді шликерного покриття [4]. В якості модифікатора відновних покриттів можна використати магнітну складова детонаційної шихти, отриману від утилізації боєприпасів.

Висновки

У роботі виконані дослідження і оцінена можливість застосування комплексних методів контролю якості виробів при вивченні структурної неоднорідності шнекового валу після експлуатації. В результаті проведеного аналізу мікроструктури виявлена карбідна сітка по межах зерен 5го балу, а також глобулярні неметалічні включення, які відповідають 4-у балу, і силікати 3-го балу. На поверхні і по пазу шпони є присутніми тріщини. Виявлена структурна неоднорідність і наявність великої кількості неметалевих включень призводять до руйнування валу в результаті циклічних навантажень. Для визначення рівня виникаючої напруги в процесі експлуатації щоб уникнути передчасного руйнування валу доцільно проводити періодичний неруйнівний контроль з оцінкою зміни свідчень коэрцитивной сили.

На підставі проведеного аналізу рекомендується використати відновлення поверхневого шару за наявності дефектів. При заварці тріщин в деталях із сталей з великою кількістю неметалических включень доцільно проводити наплавлення методом електродуги з введення модифікуючих добавок у вигляді шликерного покриття.

Список літератури

1. Дидур В.А. Влияние противотоков на режим работы шнекового пресса. /Дидур В.А., Ткаченко В.А., Ткаченко А.В., Дидур В.В. //Праці ТДАТУ – Мелітополь, 2011. – Вип.11, том 4, – С.20 – 34

2. Масликов В.А. Технологическое оборудование производства растительных масел /Масликов В.А. – М.: Пищевая промышленность, 1974. – 440 с.

3. ГОСТ 801 – 78. Сталь подшипниковая. Технические условия.

4. Скобло Т. С. Исследование влияния способа наплавки на свойства металла восстанавливаемой детали/ Т.С.Скобло, С.П. Романюк, Л.В.Омельченко // Вісник ХНТУСГ ім. П. Василенка «Ресурсозберігаючі технології, матеріали та обладнання у ремонтному виробництві». – Харків, 2017. – Вип. 183. – С. 145-150.