ИЭС им.Е.О.Патон Коржик В.Н., Лютик Н.П., НПФ «ВИСП» Никитюк Ю.А.

Полуавтоматическая линия для восстановления крупногабаритных тяжелонагруженных коленвалов на основе инновационной технологии сверхзвукового электродугового воздушно-газового напыления

Причиной интереса к новым ремонтным технологиям со стороны железной дороги автотранспортных организаций, речного и морского флота является рост объёма перевозок, необходимость оздоровления эксплуатационного парка подвижного состава, повышения эффективности его использования при недостатке средств на его обновление. Известно, что техническое обслуживание и ремонт транспортных средств за время их жизни обходятся в 5 - 20 раз дороже их первоначальной стоимости [1]. Радикальное укрепление ремонтной базы возможно только за счет применением передовых технологий (в частности газотермических защитных покрытий) в пользу резкого снижения эксплуатационных расходов с одновременным повышением надежности при поддержании в хорошем состоянии наиболее ответственных узлов подвижного состава [2-4 ].

К ремонтным технологиям восстановления валов напылением, особенно крупногабаритных тяжелонагруженных коленчатых валов дизельных двигателей предъявляются ряд серьезных требований, в том числе:

- в процессе восстановления коленчатого вала не допускается его нагрев выше 100-150 оС;
- восстановленный слой не должен снижать усталостную прочность основного металла;
- восстановленный слой (покрытие) должен иметь высокую прочность сцепления с основой, когезионную стойкость, работать в условиях динамических и знакопеременных нагрузках;
- восстановленный слой (покрытие) должно иметь высокую износостойкость (выше, чем основного металла), низкий коэффициент трения, высокие антизадирные свойства, особенно при пуске холодного двигателя, прекращении подачи масла, попадания в зону трения абразивных частиц и т.п.

Такой набор требований не могут обеспечить технологии наплавки, гальванические технологии, а также технологии традиционного электродугового, газопламенного и плазменного напыления. Это возможно только в случае перехода к новым технологиям с напылением материалов с специальными свойствами, в том числе использующим сверхзвуковые режимы истечения высокотемпературной струи [4 ].

Перспективной инновационной технологией для ремонта поверхности шеек тяжелонагруженных коленчатых валов подвижного состава железнодорожного транспорта является сверхзвуковое электродуговое воздушно-газовое напыление (СЭДН) [5]. В данной технологии преодолены основные недостатки наиболее дешевого и распространенного метода в ремонтных и восстановительных технологиях - электродугового напыления (ЭДН), связанные с низким качеством покрытий – повышенное выгорание легирующих элементов распыляемого металла проволок под действием струи воздуха, низкая адгезионная прочность покрытия и слабое сцепление с материалом основы.
Качественный скачок в повышении качества покрытий достигнут благодаря трём новшествам:

- использованию в качестве распыляющего газа сверхзвукового потока горячих продуктов сгорания метана с воздухом;
- продольной вдоль потока ориентации электрической дуги, использованию для СЭДН специальной порошковой проволоки.

По сравнению с типовым процессом ЭДН проволок из углеродистых сталей степень выгорания углерода падает с 40-60 % до 3-6 %, а кремния и марганца с 20-25 % до 1-2 %. Технология СЭДН позволила получить композиционные покрытия из порошковой проволоки с достаточно большим запасом прочности – прочность сцепления покрытия с основой возрастает с 20-40 МПа до 55-80 МПа, пористость снижается с 8-15% до 0-3 %, микротвёрдость повышается на 40-60% в результате высокоскоростной закалки из жидкого состояния. В покрытии формируются остаточные напряжения сжатия, они затрудняют образование трещин, увеличивают сопротивление усталости деталей и повышают износостойкость материала.

Микроструктура плазменных покрытий из порошковой проволоки Fe-Cr3C2-Al, нанесенных с помощью установки PLAZER 30-PL-W

х50 х100

Металлографический анализ подтверждает возможность получения с технологии СЭДН покрытий из высоколегированных проволок с пористостью, близкой к «нулевой». Так, например, на микрошлифах покрытий из порошковой проволоки системы Fe-Cr3C2-Al, содержащей в качестве порошкового наполнителя карбид хрома и специальные активирующие добавки, пор практически нет, заметны только прослойки и включения карбидов.

Подобная картина наблюдается для покрытий из высоколегированной проволоки Fe-Cr-Ni-Mn-Mo-W-C и для других типов износостойких покрытий из композиционных и высоколегированных проволок.

Разработанная технология является альтернативой технологии СЭДН, ввиду следующих преимуществ:
- для СЭДН покрытий основным рабочим газом является сжатый воздух при незначительном расходе пропана или метана (1-2 м3в час);
- производительность процесса ЭДН покрытий по сравнению с процессом СЭДН выше не менее, чем в 5-30 раз.

Для реализации данной инновационной технологии с учетом требований к условиям эксплуатации крупногабаритных деталей типа «вал», в том числе тяжелонагруженных коленчатых валов дизельных двигателей железнодорожного транспорта длиной до 3,5 м диаметром до 0,7 м и весом до 1,2 тонн предприятиями ТОВ «ВИСП» (www: obert.kiev.ua) и ТОВ «Научно-технический центр ПЛАЗЕР» (www: plazer.com.ua) совместно разработано и производится специализированное оборудование – полуавтоматическая линия, которая включает следующие основные единицы:

- установка СЭДН покрытий PLAZER15-SA;
- камера-полуавтомат для СЭДН покрытий на крупногабаритные коленчатые валы;
- камера-полуавтомат для струйно-абразивной обработки данных коленчатых валов.

Одновременно с новым оборудованием для ремонта поверхности шеек тяжелонагруженных коленчатых валов дизельных двигателей изготавливается и поставляется специализированная порошковая проволока, разработанная с учетом требований к ремонтным технологиям при восстановление данных типов деталей. Формула указанной порошковой проволоки (состав и соотношение компонентов порошкового наполнителя и стальной оболочки) составлена с возможностью активации и экзотермического взаимодействия компонентов в процессе нанесения покрытия, а также с возможностью формирования в покрытии упрочняющих и антифрикционных включений [6 ].

Проволока имеет относительно невысокую стоимость, на уровне высоколегированных сварочных материалов.

Покрытие из описанной порошковой проволоки, полученное по технологии СЭДН на установке PLAZER15-SA, использовано для восстановления валов напылением различных типов коленчатых валов, в том числе тяжелонагруженных коленчатых валов локомотивных дизелей. Оно отличается высокими триботехническими характеристиками – имеет высокие антизадирные свойства и низкий коэффициент трения во всем рабочем диапазоне нагрузок. Коэффициент трения составляет 0,02-0,03, что соответствует “жидкостному” или граничному трению с минимальной толщиной масляной плёнки. Рост коэффициента трения, связанный с нарушением её сплошности (разрушением) между покрытием и вкладышем наступает при 1,5-1,8 кратном превышении максимальных рабочих температуры или давления. Отличительной особенностью таких покрытий является однородная ламелеобразная структура, низкая (~ 1,5 % и ниже) пористость, что предотвращает усадку покрытия при эксплуатации деталей, равномерное распределение антифрикционных включений. Благодаря этому покрытие выдерживает длительные высокие цикличные нагрузки и перегрузки, имеющие место при работе мощных дизелей. Антифрикционные включения в покрытии удерживают масло, особенно необходимое при пуске холодного двигателя. Они во время работы выходят на поверхность и выполняет роль дополнительной твёрдой смазки. Причём, замечательным является то обстоятельство, что в экстремальных и аварийных ситуациях (прекращение подачи масла, наличие абразивных частиц) покрытие проявляет большую живучесть в сравнении с основным материалом коленчатого вала.

Установка СЭДН PLAZER15-SA (торговая марка PLAZER®), выполненная по блочно-модульной схеме.

Основным элементом установки является сверхзвуковой электродуговой металлизатор, который генерирует сверхзвуковую струю. Сверхзвуковой металлизатор реализует гибридную технологию, т.к. содержит камеру сгорания воздуха и горючих газов для формирования сверхзвуковой струй продуктов сгорания, совмещенной с двухпроволочной электродуговой системой.

Электродуговая горелка является устройством, обеспечивающим схождение напыляемых проволок в одну точку, ге­нерирующим сверх­звуковой поток высокоэнтальпийных продуктов сгорания, диспергирующим расплавленный металл проволок и транспортирующим распылённый ме­талл к изделию.

восстановление валов напылением восстановление валов напылением

Электрическая дуга, горящая между двумя проволоками (боковой и центральной), расплавляет их, а сверхзвуковой поток горячих газов, направленный в зону дуги, диспергирует расплав на мелкие капли и ускоряет до скорости порядка 200 – 400 м/сек. Струя продуктов сгорания практически не содержит кислород и защищает расплавленный металл от окисления в дуговой зоне.

Схема установки PLAZER15-SA
1- сверхзвуковая электродуговая горелка (металлизатор), 2 – пульт управления, 3 – блок металлизатора, 4 – источник электропитания, 5 – кабель-шланговый пакет

Блок машинного сверхзвукового металлизатора смонтирован на манипулятору камеры-полуавтомата для СЭДН и содержит: встроенную малогабаритную камеру сгорания (электродуговую горелку); подающие ролики; автономную систему поджига; корпус; электро-пневмокоммуникации.

Двухпроволочная система подачи напыляемого материала в комплекте со сверхзвуковым металлизатором (электродуговой горелкой) соединяются с пультом управления при помощи комплекта коммуникаций. Подвод воды, электроэнергии и газовоздушной смеси к электродуговой горелке производится через кабель-шланговый пакет длиной до 7 метров.

Блок сверхзвукового электродугового металлизатора PLAZER15-SA

Специализированный инверторный источник электропитания, пульт управления и блок газоподготовки смонтированы на манипуляторе на задней панели камеры-полуавтомата для СЭДН.

Система управления содержит: корпус, блок газоподготовки; блок пневмо –, гидро, – электро) управления, соединительные коммуникации.

Лицевая панель блоков пневмо –, гидро – и электроуправления установки PLAZER15-SA

Блок пневмо –, гидро –, электроуправления (пульт управления) размещен в отдельном шкафу и предназначен для управления режимами работы установки. В функции управления входят:

- управление работой приводов подачи боковой и центральной проволок
- управление подачей воздуха, воды и горючего газа на соответствующие узлы установки;
- поджиг электродуговой горелки;
- индикация состояний и параметров установки.

Блок газоподготовки (горючего газа) размещен в отдельном шкафу и предназначен для подвода к установке горючего газа и сжатого воздуха, образования в нужной пропорции газовоздушной смеси и подачи ее к электродуговой горелке.

Лицевая панель блока газоподготовки горючего газа установки PLAZER15-SA.

 

Технические характеристики установки установки PLAZER15-SA

Наменование параметра Величина
Напряжение трехфазной питающей сети переменного тока с частотой 50 Гц, В380 (-10…+5) 380 (-10…+5)
Рабочее напряжение на дуге, В 35 - 45
Рабочий ток дуги*, А 100 – 400(500)
Рабочее давление смеси, МПа 0,4-0,6
Давление воздуха, МПа 1,0-1,2
Расход воздуха, н. м.куб. /ч, не менее 30-50
Давление горючего газа (пропан-бутана), МПа 0,8-1,0
Расход горючего газа (пропан-бутана), м.куб. /ч.: 1,0-2,0
Давление охлаждающей воды, МПа 0,3
Расход охлаждающей воды, м. куб./ч 0,6
Диаметр напыляемой проволоки, мм 1.6 – 2.2
ПроизводительностьСЭДН для порошковых проволок, кг/час, не менее: 7-25

Внешний вид установки PLAZER15-SA в исполнении в составе машинного комплекса

Камера-полуавтомат для напыления покрытий на крупногабаритные коленчатые валы включает следующие основные единицы:

- Вращатель с механизмом центросмещения

- Механизм перемещения сверхзвукового электродувого метализатора

Камера-полуавтомат для струйно-абразивной обработки включает следующие основные единицы:

- Вращатель с механизмом центросмещения

- Механизм перемещения абразивно – струйного сопла

- Абразивно – струйное оборудование

Базируясь на производственном опыте и технологических испытаниях технологии СЭДН, организовано ряд технологических участков для нанесения износостойких покрытий на крупногабаритные детали типа «вал», в том числе для восстановления изношенных поверхностей шеек коленчатых валов.

Более 8 лет данная успешно эксплуатируется полуавтоматическая линия для восстановления изношенных поверхностей шеек коленчатых валов дизелей типа 12VFE 17/24, а также любых других коленчатых валов меньших размеров в Локомотивном депо Илловайск (Украина), укомплектованная установкой СЭДН и двумя камерами-полуавтоматами для струйно-абразивной обработки колевалов и СЭДН покрытий. В 2012 году ТОВ «НПФ «ВИСП» проведена реконструкция технологического участка Локомотивного депо Илловайск с комплектацией новых узлов установки PLAZER15-SA.

Процесс СЭДН покрытий на коленчатый вал локомотивного дизельного двигателя

В 2011 году в КНР в Харбинском Институте сварки Академии машиностроения и технологии Китая организован технологический участок для нанесения износостойких покрытий на крупногабаритные детали типа «вал», оборудованный установкой СЭДН PLAZER15-SA.

В 2012 году в Локомотивном депо Коростень (Украина) организован технологический участок который занимается восстановление валов напылением коленчатых валов дизельных двигателей локомотивов. Основным технологическим оборудованием данного участка является описанная выше полуавтоматическая линия укомплектованная установкой PLAZER15-SA, камерой-полуавтоматом для напыления покрытий на крупногабаритные коленчатые валы, камерой полуавтоматом для струйно-абразивной обработки коленчатых валов.

Внешний вид технологического участка восстановление валов напылением, дизельных двигателей локомотивов с помощью оборудования СЭДН в Локомотивном депо Коростень (Украина).

Накопленный опыт применения технологии СЭДН покрытий для восстановления крупногабаритных тяжелонагруженных коленчатых валов, которая реализуется с помощью описанной полуавтоматической линии позволяет отметить следующие преимущества:

  • технологический процесс восстановления изношенных поверхностей коренных и шатунных шеек коленчатых валов не снижает их усталостной прочности и других прочностных характеристик, в отличие от технологий наплавки (нагрев изделия не более 100-150 °С);
  • отсутствие деформации восстановленной детали;
  • высокая стабильность процесса напыления и свойств покрытий (высокий ресурс отвественных узлов сверхзвукового электродугового металлизатора);
  • возможность наносить покрытия из различных типов высоколегированных, в т.ч. композиционных (порошковых) проволок, в т.ч. содержащих упрочняющие композиции (карбиды, бориды, оксиды и т.п.) и, таким образом, регулировать значения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и другие эксплуатационные характеристики поверхности деталей;
  • полуавтоматическая линия отличается простотой в эксплуатации, не требует высококвалифицированного персонала;
  • при ремонте восстановлении изношенных деталей данная технология позволяет получать отремонтированные детали с ресурсом, превышающим ресурс новой детали при себестоимости процесса ниже 10-30% от цены нового изделия.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Воловик Е.Л. Справочник по восстановлению деталей. - М.: Колос, 1981. - 352 с.
2. Петров С.В., Горбань В.Ф., Демидов В.Д., Новоселов А.В. Газотермические покрытия для упрочнения тяжелонагруженных деталей мощных дизелей / Упрочняющие технологии и покрытия. – 2005. - № 6. - с 20-31.
3. Петров С.В., Коржик В.Н., Никитюк Ю.А. Универсальный полуавтомат для плазменного напыления защитных покрытий на внутренние поверхности/ СВАРЩИК. – 2006. -№3. с. 24-28..
4. Новая технология "Плазеp" pеновации деталей для железных доpог / Коpжик В. Н., Кpивцун И. В., Петpов С. В., Хаpламов М. Ю. // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2009, № 1. – С. 20-22.
5. Петров С.В., Коржик В.Н. Установка электродугового сверхзвукового напыления PLAZER15-SA / Сварщик, 2011, №1, с.117-21.
6. В.М.Коржик, Ю.В.Рябоволик, В.Ю. Шевченко. Трибологічні характеристики електродугових покриттів для відновлення деталей сільськогосподарських машин та обладнання / Міжвузівський збірник "НАУКОВІНОТАТКИ". Луцьк, 2011.- Випуск №32. С, 185-194.