Устройство повышения долговечности деталей машин и механизмов

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к устройствам повышения долговечности трущихся элементов машин и механизмов и может быть использовано для увеличения ресурса различных механизмов. Технический результат, создаваемый предлагаемым устройством, состоит в управлении процессом работы трибоузла, постоянном контроле за параметрами трибосистемы и оперативном изменении режимов работы, с целью обеспечения стабильных показателей изнашиваемых поверхностных слоев деталей образующих трибосистему.

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к устройствам повышения долговечности трущихся элементов машин и механизмов.

Известно устройство повышения долговечности деталей трибосистем [1], заключающиеся в том, что в зону трения подают ионообразующую жидкость и подводят напряжение к восстанавливаемой части трибосистемы - катоду и растворяющемуся элементу - аноду, размещенному в трибосистеме, выполненным из материалов с разными собственными электрохимическими потенциалами. Известно также устройство повышения долговечности трибосистемы [2] снабженное дополнительными элементами способствующими более быстрому и качественному растворению анода, а также датчиками регистрирующими рабочие параметры системы. Однако эти устройства имеют ограниченное применение и не всегда позволяют достичь желаемых результатов. Недостатками известных устройств являются пониженные показатели эксплуатационных свойств компенсированного поверхностного слоя, недостаточные эффективность процесса и качество обработки трущихся поверхностей. Так, образованный в процессе восстановления поверхности деталей трибосистеммы слой имеет низкие физико-механические свойства и прежде всего низкую твердость, что в процессе эксплуатации приводит к быстрому истиранию восстановленной поверхности и необходимости постоянного осуществления процесса восстановления, что в свою очередь приводит к значительному расходу электрической энергии и введении в систему новых растворяемых анодов взамен растворенных. Это не позволяет достичь требуемых результатов по увеличению долговечности трибосистемы, а также приводит к удорожанию процесса.

Технический результат, создаваемый полезной моделью, состоит в повышении долговечности трибосистем, работающих в условиях высоких динамических нагрузок.

Указанный результат достигается тем, что в устройстве содержащем трущиеся детали - например зубчатые колеса, в зону трения которых подают ионообразующую жидкость и подводят напряжение к восстанавливаемой части трибосистемы - катоду (зубчатым колесам) и растворяющемуся элементу - аноду, размещенному в трибосистеме, выполненных из материалов с разными собственными электрохимическими потенциалами. На первом этапе работы устройства, производится предварительное упрочнение поверхностного слоя зубчатых колес за счет пропускания электрического тока значительной силы (I=600-1000 А) и низкого напряжения (U=3-6 В) через место контакта зубьев зубчатых колес, благодаря чему в зоне контакта зубьев выделяется большое количество теплоты, нагревающей контактирующие поверхности в точках касания. За счет быстрого нагрева и интенсивного отвода тепла от поверхности зубьев внутрь, а также за счет возможного дополнительного охлаждения ионообразующей жидкостью, поверхность зубьев зубчатых колес в местах их контакта получаются закаленными. В дальнейшем, процесс упрочнения прекращают и переходят к процессу нормальной работы устройства. В процессе нормальной работы устройства происходит изнашивание рабочих поверхностей зубьев, что регистрируется датчиком межосевого расстояния шестерен по изменению относительного положения зубчатых колес. Для компенсации износа зубчатых колес в устройство вмонтирован анод, изготовленный из материала содержащего необходимые компоненты для восстановления трущихся сопряжении (например: цинк, латунь, бронза), диэлектрически изолированный от корпуса. Кроме того для смазки, охлаждения при упрочнении и компенсации износа во время работы устройства используется ионообразующая жидкость содержащая необходимые присадки. После достижения определенной величины износа поверхностей зубьев зубчатых колес, начинается процесс восстановления, при этом в зону трения зубьев зубчатых колес подается ионообразующая жидкость и одновременно подводится к восстанавливаемым деталям трибосистемы зубчатым колесам (катоду) и растворяющемуся элементу - аноду напряжение. Плотность тока в системе катод-анод составляет примерно 3045 А/дм². Процесс электрохимического растворения анода начинается при разности потенциалов между катодом и анодом, превышающих суммарный потенциал поляризации электродов, и находится в пределах от 3 до 30 В. Что приводит к образованию на зубьях зубчатых колес восстановленного слоя из осажденного металла анода. Введенный в устройство датчик межосевого расстояния шестерен, регистрирующий параметры работы устройства, расстояние между осями зубчатых колес - выдает сигнал на блок управления, который в зависимости от этих сигналов управляет работой устройства и по необходимости включая процесс упрочнения, нормальной работы или восстановления. При получении сигнала с датчика межосевого расстояния шестерен, который косвенно по относительному положению зубчатых колес регистрирует наличие образовавшегося восстановленного слоя на поверхностях контактирующих деталей трибосистемы достаточной толщины, блок управления отключает ток в цепи анод - катод, и подает ток большой величины и малого напряжения на шестерни, которые изолированны от корпуса. В процессе обкатывания шестерен, пропускаемый электрический ток, значительной силы и низкого напряжения, приводит к выделению большого количества тепла в местах контакта деталей трибосистемы, используя наряду с механической - тепловую энергию, а также за счет присутствия на поверхности зубьев слоя осажденного металла (необходимого нам по составу), происходит формирование аморфированных структур в поверхностном слое металла зубьев зубчатых колес. Присутствие слоя осажденного металла на поверхности зубьев приводит к химическим реакциям и смешению веществ, полученная смесь приобретает определенные триботехнические свойства. Причем большие скорости нагрева и охлаждения приводят к повышению твердости поверхностного слоя. Созданный модифицированный поверхностный слой обладает повышенной твердостью в сравнении с обычным, а также определенными триботехническими свойствами, что значительно уменьшает износ шестерен, в процессе последующей эксплуатации устройства. Включение в состав устройства, токопроводящих шин для подвода электрического тока к растворяемому аноду образует первый контур работы устройства и токопроводящих шин для подвода тока к трущимся деталям трибосистемы (зубчатым колесам) образует второй контур работы устройства. При этом в первом контуре подается электрический ток определенной силы для обеспечения плотности тока в системе катод-анод примерно 3045 А/дм², а напряжение находится в пределах от 3 до 30 В, во втором контуре пропускания электрического тока значительной силы от 600 до 1000 А и низкого напряжения от 3 до 6 В, а работой контуров управляет блок управления по сигналам поступающим с датчика межосевого расстояния шестерен.

Таким образом, заявляемое устройство повышения долговечности деталей машин и механизмов позволяют упрочнять затем после определенного промежутка нормальной работы трибоузла восстанавливать изношенную поверхность, затем модифицировать - упрочнять восстановленный поверхностный слой, затем снова после этапа нормальной работы восстанавливать и т.д. изношенные поверхности различных трущихся сопряжении циклически, без разборки устройства, что соответственно приводит к повышению долговечности устройства в целом.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства повышения долговечности деталей машин и механизмов. Устройство содержит: корпус устройства 1, верхняя и нижняя шестерни 13, приводной вал 14, ползун 6, перемещающемся под действием пружины 5 в пазу корпуса устройства 1. В отверстие ползуна запрессована изоляционная втулка 7 с неподвижным валом 11, изготовленным из латуни. На вал навинчивается латунная резьбовая втулка 12, на которой неподвижно крепится при помощи барабана 10 нижняя обрабатываемая шестерня 13. Вращением винта 3 через пружину 5 осуществляется поджатие нижней шестерни к верхней. При помощи токопроводящих шин 21 и 22 вторичная обмотка понижающего трансформатора блока питания (БП) 17 соединена с валом 11 и через скользящий контакт с приводным валом 14. Нижняя шестерня в процессе вращения верхней шестерни обкатывается по ней и одновременно благодаря резьбовому соединению втулки 12 и вала 11 может совершает продольное движение. Изменением направления вращения приводного вала 14 можно упрочнять обе рабочие поверхности зубьев. Гидронасос - 16 соединенный трубопроводами через электроклапана-краны - 8 и 9, установленными на корпусе устройства с верху для долива жидкости и снизу для ее слива, с внутренним объемом корпуса устройства и емкостью с ионообразующей и смазывающей жидкостью 19. Электроклапана-краны, блок питания и насос управляются блоком управления (БУ) 18. Растворяемый анод - 15 установлен во внутреннем объеме корпуса и электрически изолированный от корпуса, датчик 2 межосевого расстояния шестерен установленный на пружине 5, токопроводящая шина к растворяемому аноду 4, ионообразующая жидкость 20.

На первом этапе работы устройства, на исполнительные элементы - шестерни 13, верхнюю и нижнюю, нижняя из которых изолирована от корпуса, подается ток большой величины по токопроводящим шинам 21 и 22, соединенных с верхней и нижней шестернями, благодаря чему в зоне контакта зубьев выделяется большое количество теплоты, нагревающей контактирующие поверхности, до температуры, превышающей температуру точки Ас3. За счет быстрого нагрева и интенсивного отвода тепла от поверхности внутрь детали, а также за счет дополнительного охлаждения ионообразующей жидкостью 20 поверхности зубьев получаются закаленными на определенную глубину. Глубина поверхностного упрочнения зависит от частоты вращения шестерен, плотности тока и давления в зоне контакта зубьев. Ионообразующая жидкость при этом во внутренне объеме корпуса устройства находится на уровне А. Таким образом, при упрочнении, на первом этапе работы устройства, одновременно обкатываются и упрочняются обе шестерни 13 и верхняя и нижняя.

На втором этапе, происходит нормальная работа устройства, под нагрузкой, в процессе чего происходит износ поверхностей зубьев шестерен, по мере увеличения которого изменится межосевое расстояние между шестернями 13, т.е. оно уменьшится, что регистрируется датчиком межосевого расстояния шестерен 2, сигнал с которого поступает на блок управления 18, который в свою очередь подает сигнал на начало процесса компенсации износа зубьев шестерен, для чего подается ионообразующая жидкость в зону трения зубьев шестерен, за счет подъема уровня ионообразующей жидкости во внутреннем объеме корпуса 1 с уровня А до уровня В, а также подается напряжение на обе шестерни по токопроводящей шине 21 и на растворяемый анод, по токопроводящей шине 4, расположенный во внутреннем объеме корпуса устройства 1 полностью погруженный в ионообразующую жидкость. Подъем уровня ионообразующей жидкости во внутреннем объеме корпуса устройства производится за счет открытия электроклапана-крана 9 и долива ионообразующей жидкости 20 из емкости 19. Подача напряжения на корпус и растворяемый анод производится с блока питания 17 по команду с блока управления 18.

На третьем этапе по мере создания на поверхности зубьев слоя частично или полностью компенсировавшего износ, что регистрируется датчиком межосевого расстояния шестерен 2 по увеличению межосевого расстояния между шестернями 13, сигнал с датчика межосевого расстояния шестерен 2 подается на блок управления 18 который выдает сигнал на блок питания 17, при этом ток, подаваемый на растворяемый анод отключается процесс компенсации износа останавливается, а также подается сигнал на электроклапан-кран 8 и насос 16. Открытие электроклапана-крана 8 и работа насоса 16 приведут к снижению уровня ионообразующей жидкости во внутреннем объеме корпуса устройства с уровня В до уровня А. На шестерни, продолжающие работать под нагрузкой, подается ток большой величины, с блока питания 17 по команде блока управления 18, по токопроводящим шинам 21 и 22, благодаря чему происходит упрочнение поверхности зубьев, по такому же механизму, как и на первом этапе работы устройства. Кроме того, за счет продольного перемещения нижней шестерни относительно верхней в процессе упрочнения, можно добиться более равномерного упрочнения по ширине зубьев. За счет присутствия на поверхности зубьев слоя осажденного металла (состав слоя мы можем изменять за счет варьирования составом растворяемого анода) в результате упрочняющей обработки происходит модифицирование поверхностного слоя зубьев шестерен. Создав комплекс условий для проявления в небольшом локальном объеме металла микропластичности, используя при этом наряду с механической тепловую энергию, а также за счет присутствия на поверхности зубьев слоя осажденного металла, происходит формирование аморфированных структур в поверхностном слое металла. Под действием тепловой энергии кратковременно снижается прочность металла в зоне обработки и, следовательно, процесс упрочнения идет при меньшем давлении и больших деформациях сдвига. Теплота выделяется при трении и прохождении электрического тока через зону обработки. Присутствие слоя осажденного металла на поверхности зубьев приводит к химическим реакциям и смешению веществ, полученная смесь приобретает общие для всех компонентов свойства. Причем увеличенные скорости нагрева приводят к повышению твердости поверхностного слоя. Созданный поверхностный слой обладает повышенной твердостью в сравнении с обычным, а также хорошими триботехническими свойствами, что значительно уменьшает износ шестерен.

Далее процесс компенсации износа зубьев шестерен и их последующего упрочнения происходит циклически.

Использование предлагаемого устройства позволяет повысить долговечность деталей машин и механизмов, снизить износ элементов трибосистемы, тем самым повысить период наработки до отказа, то есть ресурс изделия.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент 2237554 Российская федерация, МПК⁷ B23H 3/00. Устройство повышения долговечности трибосистем [Текст] / Эдигаров В.Р., Макаренко Н.Г. [и др.]: заявитель и патентообладатель Омский танковый инж. ин-т. - 2003106894/02; заявл. 12.03.2003; опубл. 10.10.2004, Бюл.28. - 3 с.: ил..

2. Заявка RU 2004114285 А, опубликована 27.10.2005

Устройство повышения долговечности деталей машин и механизмов, содержащее корпус устройства, верхнюю и нижнюю шестерни, приводной вал, ползун, пружину, изоляционную втулку, неподвижный вал, резьбовую втулку, барабан, винт, токопроводящие шины, блок питания, блок управления, электроклапаны-краны, установленные в корпусе устройства снизу для слива и сверху для долива ионообразующей жидкости, растворяемый анод, установленный во внутреннем объеме корпуса устройства и электроизолированный от корпуса, гидронасос, соединенный трубопроводами с внутренним объемом корпуса устройства и емкостью с ионообразующей жидкостью, емкость с ионообразующей жидкостью, ионообразующая жидкость, датчик межосевого расстояния шестерен, который закреплен на пружине, отличающееся тем, что: устройство снабжено токопроводящими шинами, соединяющими блок питания с верхней и нижней шестернями, для подвода электрического тока значительной силы (600-1000 А) и низкого напряжения (3-6 В) к ним.