Крановые колеса

Одной из наиболее ответственных операций технологического процесса производства крановых колес является термическая обработка. Она проводится с целью повышения износостойкости и прочности их поверхностного слоя. Применяемая для колес кранов термическая обработ­ка заключается в полном объемном прогреве колеса до  температуры превращения и охлаждении в воде только рабочей поверхности (обода) при вращении колеса. Такой метод позволяет получать прочный слой с сорбитной структурой на глубину 30-40 мм от поверхности с последующим плавным переходом к нормальной твердости незакаленного материала.

Проведены исследования закаленного, таким образом, слоя колес, изготовляемых на Харьковском заводе подъемно-транспортного оборудования. Для колес мостовых кранов на заводе используют штампованные (кованные), литые и цельнокатаные заготовки. В качестве материала служат стали 65Г по ГОСТ 11959-79, сталь 55СЛКТ40 по ГОСТ 977-88 и ко­лесная сталь марки 2 по ГОСТ 10791-2004. Нагрев колес под закалку на заводе осуществляется в газовой печи с выкатным подом. Печь (проект Укргипротяжмаша)  имеет следующие основные характеристики:

- количество тепловых зон - 1;

- полезные размеры (пода) - 3,0 * 1,2 м2 ;

- габаритные размеры - 4,75 * 3,4 * 5,5 м3;

- максимальная рабочая температура - 1000°С;

- производительность - 240 кг/час.

Исследование закаленного слоя осуществлялось по ГОСТ 1763-68 методом замера твердости. Для этой цели из крановых колес, подвергнутых термообработке, вырезались темплеты. Вырезка осуществлялась огневым способом. Чтобы из­бежать влияния нагрева на результаты испытаний из-за возможного изменения структуры, размеры темплетов принимали такими, чтобы место замера твердости отстояло от плоскости резки на расстоянии не менее 100 мм. Основание темплета шлифовалось, чтобы обеспечить хорошую поверхность базирования. Место замеров твердости зачищалось с целью удаления окалины. Измерение чисел твердости НRС_Э осуществлялось на приборе ТК-2М на различных расстояниях (получаемых послой­ным шлифованием) от рабочей поверхности (дорожки катания) колеса. При этом каждый раз делалось по 5-9 зачетных отпечатков и опреде­лялись статистические характеристики малых выборок: среднее ариф­метическое НRС_Э и средняя квадратическая погрешность единичного наблюдения S по формулам;

Среднее арифметическое НRС_Э определялось после отбраковки рез­ко выделяющихся результатов. Отбраковка осуществлялась с помощью критерия Романовского-Фишера.

Вычислялись значения доверительных интервалов при доверительной вероятности Р=0,95 по формуле

где  - квантиль Стьюдента.

В координатах: твердость НRС_Э - расстояние от поверхности катания. Результаты исследований представлены в координатах: твердость НRС_Э - расстояние от поверхности катания на рисунке. Из графиков видно, что характер этих зависимостей различен, причем наибольшее различие имеют участки со значениями глубины по оси абсцисс от нуля до 1 мм. Данное обстоятельство можно объяснить следующим образом.

В печи, в которой осуществляется нагрев колес под закалку, рабо­чий объем не огражден от пламени газовых горелок. При нормальном ходе операции нагрева садка колес в зоне нагрева пребывает в тече­ние 2-2,5 часов. За это время возможно либо науглероживание, либо обезуглероживание поверхностного слоя колес. Все будет зависеть от того, в какой из зон пламени (окислительной, восстановительной или нейтральной) окажется то или иное колесо, или его часть. Можно пред­положить, что случаю, когда колесо оказалось в восстановительной зоне соответствует кривая 2, В этом случае поверхностный слой науглеро­живается и на поверхности колеса мы имеем более высокое значение твердости HRC_. В окислительной зоне происходит процесс обезуглероживания поверхностного слоя. Твердость на поверхности колес оказы­вается ниже, чем её значение на некотором расстоянии от поверхности. Это наглядно представлено на рисунке кривыми 1 и 3.

В технических требованиях на крановые колеса оговорено, что градиент снижения твердости не должен быть более 20 единиц НВ на 10 мм толщины обода. При этом твердость поверхностного слоя обода должна составлять 300...380 НВ. Это обстоятельство позволяет сделать вывод, что в среднем снижения твердости должно находиться в пределах 2 единиц на каждый миллиметр.

Из рисунка видно, что градиент изменения твердости в данном случае не удовлетворяет предъявляемым требованиям. Прежде всего это касается начального участка кривой от нуля до 1 мм. Оценка значений верхней и нижней границ доверительного интервала подтверж­дает тот факт, что при доверительной вероятности Р=0,95 при уров­не значимости α =0,5 полученное распределение значений твер­дости является вполне закономерным (статистически значимым). При любом другом возможном сочетании значений твердости указанное данное обстоятельство продолжает иметь место, что хорошо видно из рисунка. Поэтому оно является существенным и с ним необходимо считаться, внося коррективы в операции технологического процесса производства крановых колес.

Качество термической обработки оценивается, в частности, сте­пенью стабильности механических свойств. Оценка нормируемого пока­зателя механических свойств - твердости должна находиться под пос­тоянным контролем. Дня таких массивных деталей, какими являются крановые колеса, задача сплошного контроля является непростой. Ста­ционарные стандартизованные средства измерения твердости оказывают­ся непригодными для этих целей. Выпускаемые отечественной промышлен­ностью портативные твердомеры не отвечают в ряде случаев требовани­ям контроля твердости крановых колес. Например, прибор ТБП-4 дает показания в единицах твердости HSD Шора. Прибор ТШП-4 дает боль­шие погрешности, поскольку для крепления на контролируемом изделии необходимо использование цепного захвата. Основными недостатками прибора Польди-Хютте также являются большие погрешности (10-50%) и необходимость изготовления брусков-эталонов.

На Харьковском заводе ПТО для контроля твердости уже длитель­ное время используется прибор ТШП-4,который приспособили и устано­вили в шпинделе вертикальносверлильного станка. Это позволило уменьшить погрешность измерения, но усложнило процесс из-за необходимости установки колес на столе. Данное обстоятельство наклады­вает определенные трудности на проведение сплошного контроля.

В ХГАДТУ разработано и успешно используется сейчас на заводе нестандартизованное средство измерения твердости - переносный дина­мический твердомер ТДЦ-2И3,который аттестован Государственной мет­рологической службой. Использование этого прибора в значительной степени упростило и облегчило выполнение операции контроля твердос­ти, что дало возможность осуществить сплошной контроль качества тер­мической обработки.

На основании результатов, приведенных выше, можно сделать сле­дующие вывода.

Контроль качества термической обработки должен проводиться в месте, на котором предварительно удален дефектный слой толщиной до 1 мм. В противном случае мы получаем результаты, которые не дают объективной информации о контролируемом параметре.

Процесс науглероживания как и обезуглероживания в данном слу­чае является вредным. Такая неоднозначность ведет к тому, что мы получаем большой разброс механических свойств, а это крайне нежела­тельно. Это обстоятельство в конечном счете сказывается на эксплуатационных показателях крановых колес. Очевиден тот факт, что боль­шая вариация механических свойств б итоге может явиться одной из причин неравномерного изнашивания колес. Неравномерность износа усугубляет естественное протекание процесса изнашивания из-за воз­никновения дополнительного проскальзывания, перераспределения нагруз­ки и т.п.

Возникает вопрос, каким же образом можно в данном случае изба­виться от вредных последствий при термической обработке? Решение этого вопроса видится в следующем. В нагревательной печи необходима постановка экранов, которые оградили бы нагреваемые изделия от непосредственного контакта с пла­менем горелок. Это мероприятие гарантировало бы в немалой степени стабильность получаемых механических свойств. Кроме этого, необходимо предусмотреть специальный припуск на термическую обработку. Его величина  должна быть не менее 1 мм. После термической обработки этот припуск необходимо удалять механической об­работкой

Указанные мероприятия как единое целое могут послужить допол­нительным резервом для продления срока службы крановых колес.