Исследование способа многоэлектродной наплавки с принудительным формообразованием

Министерство образования  и науки РФ

 

Саратовский государственный  технический университет имени  Ю.А. Гагарина

 

Кафедра «ЭМС и Сварки»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Научно-исследовательская  работа на тему:

«ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА МНОГОЭЛЕКТРОДНОЙ НАПЛАВКИ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ФОРМООБРАЗОВАНИЕМ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: магистрант гр. м2МНСТ-21

Ульянов А.П.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Саратов 2012

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Хвостовик автосцепки СА-3 в процессе эксплуатации подвержен интенсивному изнашиванию. В результате автосцепное устройство требует замены, что приводит к большим материальным и трудовым затратам при эксплуатации и ремонте. Эксплуатация автосцепки с изношенным хвостовиком приводит к  возникновению происшествий угрожающих жизни и здоровью пассажиров.

На основании анализа  статистических данных об обрывах автосцепок грузовых вагонов на железных дорогах России за 2009 год и материалов расследований этих случаев наиболее слабым местом корпуса автосцепки является зона перемычки хвостовика - 55,7% от всех случаев обрывов.

В настоящее время  существуют различные способы восстановления автосцепки СА-3, в частности ее изношенных поверхностей. Однако остается проблематичным вопрос, связанный с повышением надежности.

В настоящей курсовой работе приведен анализ различных способов наплавки хвостовика автосцепки СА-3, который выявил сходства и различия, а также положительные эффекты от применения многоэлектродной наплавки с принудительным формообразованием и предварительным подогревом. Представлены приемы повышения качества формообразования наплавленного металла и  формирования припуска на обработку.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Назначение  и описание конструкции автосцепки  СА-3

 

Ударно - тяговые приборы  предназначены для сцепления  вагонов между собой и с  локомотивом, удержания их на определенном расстоянии друг от друга, восприятия, передачи и смягчения действия в поезде и при маневрах.

Современным ударно - тяговым  прибором является автосцепное устройство, выполняющее основные функции ударных  и тяговых приборов

Автосцепка СА-3 — автоматическое сцепное устройство, применяемое на железнодорожном транспорте России, стран СНГ, Монголии для сцепления между собой единиц подвижного состава с минимальным участием сцепщика. Аббревиатура названия означает «Советская автосцепка, 3-й вариант».

Автосцепка СА-3 обеспечивает:

- автоматическое сцепление при соударении вагонов; автоматическое запирание замка у сцепленных автосцепок;

- расцепление подвижного  состава без захода человека  между вагонами и удержание  механизма в расцепленном положении  до разведения автосцепок;

- автоматическое возвращение механизма в положение готовности к сцеплению после разведения автосцепок; восстановление сцепления случайно расцепленных автосцепок, не разводя вагоны;

- производство маневровых  работ (положение на "буфер"), когда при соударении автосцепки  не должны соединяться. До сцепления автосцепки могут занимать различные взаимные положения:

- оси их находятся  на одной прямой;

- оси могут быть  смещены по вертикали или горизонтали. 

Смещение осей по вертикали  допускается в грузовом поезде до 100 мм и пассажирском скоростном до 50 мм, а в горизонтальном направлении до 175 мм, при которых обеспечивается надежное автоматическое сцепление вагонов в эксплуатации.

Автосцепка СА-3 является тягово-ударной нежесткого типа. Она  состоит из корпуса 4 и деталей механизма сцепления: замка 5, замкодержателя 2, предохранителя 3, подъемника 6, валика подъемника 7. (рис. 1.1)

Головная часть автосцепки (голова) переходит в удлиненный пустотелый хвостовик, в котором  имеется отверстие 1 для размещения клина, соединяющего  автосцепку с тяговым хомутом. Голова автосцепки имеет большой 10 и малый 9 зубья. В пространство между малым большим зубьями, в так называемый зев автосцепки, выступают замок 5 и замкодержатель 2, взаимодействующие в сцепленном состоянии со смежной автосцепкой.

Рисунок 1.1 Общий  вид конструкции автосцепки СА-3

Голова автосцепки заканчивается  сзади упором 8, предназначенным для передачи при неблагоприятном сочетании допуском жесткого удара на хребтовую балку через концевую балку рамы вагона и ударную розетку. Очертание в плане малого 1 и большого 2 зубьев, а также выступающей в зев части замка 3 называется контуром зацепления автосцепки. Для обеспечения взаимозаменяемости всех автосцепок СА-3 контур зацепления должен соответствовать ГОСТ 21447-75.

Рисунок 1.2 Общий вид конструкции корпуса автосцепки СА-3

Корпус автосцепки (рис. 1.2), являющийся основной частью автосцепки, предназначен для передачи тяговых  и ударных нагрузок, а также  размещения деталей механизма сцепления. Хвостовик корпуса имеет постоянную высоту по длине. Его торец 1 – цилиндрический, что обеспечивает перемещение автосцепки в горизонтальной плоскости. Часть хвостовика, расположенная между отверстием 2 для клина тягового хомута и торцом называется перемычкой.

Поверхности контура  зацепления корпуса в сцепленном состоянии взаимодействуют со смежной автосцепкой: при сжатии усилие воспринимается ударной 6 и боковой 7 поверхностями малого зуба, ударной стенкой 5 зева и боковой поверхностью 4 большого зуба, а при растяжении – тяговыми поверхностями 8 малого и 3 большого зубьев. Тяговая ударная и боковая поверхности малого зуба, а также тяговая поверхность большого зуба в средней части по высоте имеет вертикальную площадку длиной 160 мм.

Материал автосцепки СА-3 - сталь марки 20ГФЛ. Она является низколегированной сталью для отливок. Сталь перлитного класса.

Предназначена данная сталь для изготовления рам, балок, корпусов, деталей вагонов и других деталей для различных отраслей машиностроения; для изготовления отливок деталей газовых турбин и осевых компрессоров, работающих при температурах от -50 до +350 °С; ответственных литых деталей автосцепного устройства и тележек грузовых и пассажирских вагонов, электро- и дизельпоездов и локомотивов. ,МПА²

 

Химический состав в % материала 20ГФЛ

С	Si	Mn	V	S	P
0,15-0,25	0,2-0,4	1,2-1,6	0,06—0,13	до   0.04	до   0.04

 

Механические свойства

σ в, МПа	σ т, МПа	KCU, кДж/м2
550	280	250

 

2. Характеристика  хвостовика корпуса автосцепки  СА-3

 

Одной из наиболее нагруженных  частей корпуса автосцепки во время  сцепления и движения ж/д вагонов является зоны перемычки хвостовика автосцепки.

Хвостовик во время эксплуатации испытывает ударные нагрузки, а также  происходит трибологическое изнашивание  торца хвостовика. Величина изнашивания  составляет до 12 мм толщины перемычки  хвостовика (Рисунок 1.3.).

Наиболее распространенным дефектом в зоне перемычки хвостовика являются приповерхностные трещины. Которые  образуются на расстоянии порядка 7-10 мм от поверхности торца перемычки  хвостовика автосцепки.

Рисунок 1.3. Эпюра  характеризующая изнашивание торца хвостовика

В связи с этим требуется  восстановление зоны перемычки хвостовика автосцепки.  Так как наиболее рациональным способом восстановления крупногабаритных деталей является наплавка, проведем анализ ее способов.

 

3. Анализ и  теоретическое обобщение способов наплавки применительно к крупногабаритным изделиям

 

Среди существующих способов наплавки крупногабаритных изделий  наибольшее распространение получили электродуговые способы наплавки штучными электродами (Рисунок 1.4.).

Рисунок 1.4. Схема одноэлектродной наплавки d_э – диаметр электрода, b –ширина наплавленного металла

Однако из за низкой производительности способа и качества наплавленного металла способ совершенствовался по пути применения защиты дуги от окружающей среды. В качестве защиты использовался флюс, который до расплавления находился в электроде, а по мере его расплавления защищал сварочную ванну. Однако данный способ не мог обеспечить максимально надежную защиту ванны и дуги (Рисунок 1.5.).

 

Рисунок 1.5. Схема  наплавки порошковой проволокой d_э – диаметр электрода, b –ширина наплавленного металла

Рис. 1.6 Схема наплавки колеблющимся электродом

При дальнейшем совершенствовании  одноэлектродные способы наплавки заменялись многоэлектродными.

Рисунок 1.7. Схема многоэлектродной наплавки под флюсом d_э – диаметр электрода; с – расстояние между электродами, b –ширина наплавленного металла

 При этом процессы  перемещения наплавочной головки  относительно изделия и подачи  электрода в ванну механизировались, за счет этого  многоэлектродная  наплавка под флюсом более  производительна и обеспечивает  минимальные потери электродного металла (не более 2 %). Отсутствие брызг при наплавке сказалось в благоприятную сторону на качестве наплавленного слоя. Флюс позволяет осуществить максимально надежную защиту зоны наплавки от окружающей среды, таким образом, уменьшая до минимума вероятность образования оксидов (Рисунок 1.7.).

Дальнейшее развитие способов наплавки привело к разработке электрошлаковой наплавки (Рисунок 1.8.).

Рисунок 1.8. Схема электрошлаковой наплавки

Электрошлаковая наплавка применяется в настоящее время  для восстановления автосцепок в вагоноремонтных депо. Однако она имеет ряд недостатков. Главной особенностью электрошлакового процесса является то, что, начавшись, он уже не может быть остановлен для устранения дефектов подготовительных работ. А подготовительные работы очень продолжительны. В связи с этим работник должен обладать высокой квалификацией.

Из-за наплавки довольно большого объема металла, увеличивается  вероятность образования дефектов, которые невозможно устранить термической  обработкой.

Во время электрошлаковой наплавки металл внизу ванны начинает кристаллизоваться, в то время как металл на поверхности ванны все еще находится в жидком состоянии и происходит процесс дальнейшего наплавления. Это приводит к температурной неоднородности, крупнозернистости, что в конечном счете сказывается на механических характеристиках наплавленного металла.

Проанализировав способы  наплавки, был сделан вывод о необходимости  использования достоинств передовых  способов, т.е. применение многоэлектродной наплавки под флюсом и использование формы удерживающей расплав (Рисунок 1.9.). 

Рисунок 1.9. Схема многоэлектродной наплавки под флюсом в наплавочные формы d_э – диаметр электрода; с – расстояние между электродами; n – толщина стенки наплавочной формы; m – ширина наплавочной формы; q – высота наплавленного слоя

Таким образом, наиболее рациональным способом  восстановления перемычки хвостовика корпуса автосцепки СА-3 является способ многоэлектродной наплавки под слоем флюса с  принудительным формообразованием. В  связи с описанными выше преимуществами. Однако требуется дальнейшее совершенствование этого способа, который имеет ряд недостатков связанных с опасностью стекания расплава, высокими энергозатратами и припусками на последующую обработку.

Эти обстоятельства требуют  глубокое изучение гидромеханики расплава и теплостойкости удерживающих элементов.

 

4. Теоретические предпосылки совершенствования способа многоэлектродной наплавки с принудительным формообразованием

 

4. 1. Теоретическое описание границ растекания жидкой ванны при МЭН

 

Формообразование отдельных доз металла характеризуется краевым углом q. Он связан с поверхностными натяжениями s_ЖГ, s_ТГ, s_ТЖ по периметру капельной дозы и объясняет её форму и размеры: Соsq=(s_ТГ -s_ТЖ)/s_ЖГ. Процесс дозировки капельных доз является трудноуправляемым из-за взрывоподобных электродинамических сил (Рисунок 1.10.).

Рисунок 1.10. Схема сил поверхностного натяжения в системе жидкость – твердое тело – газ с удовлетворительной (а), хорошей (б) и плохой (в) смачиваемостью

Процесс заполнения наплавочный формы можно разделить на три стадии 1 - зарождение ванны (стартовый этап); 2 - заполнение данной части формы; 3 - стадия установившегося процесса (стадия полного наведения ванны)(рис. 1.11).