Монтаж и эксплуатация оборудования нефтегазового комплекса
advertisement
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» (ГОУ ВПО «ЮРГУЭС») Кавминводский институт сервиса(филиал) ( КМВИС ГОУ ВПО «ЮРГУЭС») Черноброва В.К. МОНТАЖ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА Учебно-методическое пособие по практическим занятиям для студентов очного отделения специальности 100101«Сервис» Пятигорск 2011 УДК 662 ББК 25.34 Ч 49 Кафедра «Сервис» Составитель: ст. преподаватель, Черноброва В.К. Рецензент: к.г.н., доцент Нарыжный П.С. к.т.н., доцент Мезенцева В.В. Ч 49 Черноброва В.К. Монтаж и эксплуатация оборудования нефтегазового комплекса: Учебно-методическое пособие по практическим занятиям. – Пятигорск: РИО КМВИС, 2011- 61 с. В учебно-методическом пособии предусмотрены практические занятия, которые служат для углубления теоретических знаний. Выполнение данных работ способствует приобретению знаний о методах исследований и пользования необходимыми приборами и оборудованием для ремонта деталей оборудования нефтегазового комплекса; о методах расчета основных нагрузок и усилий монтажных конструкций. Дисциплина «Монтаж и эксплуатация оборудования нефтегазового комплекса» изучает конструкции фундаментов, виды такелажной оснастки и такелажного оборудования, виды оборудования для монтажа нефтегазового оборудования, виды ремонта оборудования; о видах неисправностей и причины их возникновения; основные сведения о технической диагностике, типовые технологические процессы ремонта деталей оборудования. Учебно-методическое пособие составлено в соответствии с учебным планом для студентов, обучающихся на 3,4 курсе очной формы обучения по специальности 100101«Сервис» специализации 10113 «Сервис на предприятиях нефтегазового комплекса». Данное пособие печатается по решению Методического совета КМВИС для внутривузовского пользования (протокол №5 от 04 апреля 2011 года © Кавминводский институт сервиса (филиал) Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса © ЧерноброваВ.К. Практическое занятие № 1. Ремонт валов и втулок металлизацией Цель работы: изучить процесс металлизации детали, электродуговую и плазменную металлизацию, газовую металлизацию, высокочастотную металлизацию. Приборы и материалы: электрометаллизационная валы, установка, подшипники плазменно-дуговые и втулки, установки, проволока, ленты, порошок. Процесс металлизации заключается в нанесении расплавленного металла на специально подготовленную поверхность детали распылением его струей воздуха или газа. Частицы расплавленного металла, ударяясь о поверхность детали, заполняют предварительно созданные на поверхности неровности, в результате чего происходит их механическое закрепление, а также возникает молекулярное схватывание между напыляемым и основным металлом. В результате закалки, окисления и наклепа частиц напыляемого металла твердость материала покрытия повышается. Различают газовую, электродуговую, высокочастотную, тигельную и плазменную металлизацию. Напыляемый материал применяется в виде проволоки, ленты или порошка. Плотность напыленного слоя зависит от скорости частиц при ударе, а следовательно, от расстояния между соплом и поверхностью детали. Расплавленная шарообразная частица стали при распылении окисляется. На больших расстояниях пленка окислов успевает утолщиться, поэтому при ударе о поверхность происходит растрескивание оболочки с выбросом жидкого металла через трещины, и покрытие в этом случае складывается из перекрывающих друг друга чешуек. При ударе частиц металла, не образующих пленки окислов (медь и ее сплавы), получается покрытие, в котором трудно обнаружить следы металлизационных частиц. Наибольшее применение на ремонтных предприятиях получила электродуговая металлизация (рисунок 1). Две электрически изолированные друг от друга электродные проволоки 1 и 2, к которым подводится электрический ток, перемещаются механизмом подачи 3 со скоростью 2,5— 3,5 м/мин. При выходе из наконечников 6 проволоки пересекаются и под действием возникающей при этом электрической дуги концы их расплавляются. Через сопло 7 подается струя сжатого воздуха под давлением 4—7 кгс/см2, которая распыляет расплавленный металл на мельчайшие частицы. Частицы раскаленного металла, двигаясь со скоростью 75—200 м/с, наносятся на специально подготовленную поверхность детали 4, создавая напыленный слой 5. Размер частиц Расстояние до металлизируемой поверхности, мм Рисунок1- Схема электродуговой металлизации Примечание. Нормальное расстояние должно быть 75 — 100 мм. зависит от режима металлизации и природы напыляемого металла, и обычно изменяется от 0,01 до 0,2-0,3 мм. Скорость струи сжатого воздуха (кривая /) быстро уменьшается по мере удаления от сопла и на расстоянии 200-300 мм оказывается ниже скорости частиц расплавленного металла (кривая //), движущихся по инерции. В связи с этим расстояние от сопла до металлизируемой поверхности должно быть 75-150 мм; в этом диапазоне скорость частиц металла наибольшая, что обеспечивает более высокое качество напыляемого слоя. В комплект оборудования электрометаллизационной установки (рисунок 2) входят электродуговой металлизатор 2, компрессор 11 с электродвигателем 12 для подачи сжатого воздуха, ресивер 10 для снижения пульсаций воздушного потока, фильтр 9 для очистки сжатого воздуха от масла и влаги и сварочный трансформатор для питания электрической дуги током 7. Металлизацию ведут как на постоянном, так и на переменном токе. В первом случае в качестве источника электрической дуги применяют Рисунок 2 - Схема электрометаллизационной установки: 1 — деталь; 2 — электродуговой металлизатор; 3 — распыляемая проволока; 4 – барабан с проволокой; в — электропровод; 6 — воздухопровод; 7 — трансформатор; 8 — манометр; 9 — фильтр; 10 — ресивер; 11 — компрессор; 12 — электродвигатель сварочные генераторы типа ПСО-ЗОО, ПСО-500; во втором случае — сварочные трансформаторы. Промышленностью выпускается специальный трансформатор для металлизационных установок СТЭ-43-2С. Для электродуговой металлизации выпускают стационарные и ручные металлизаторы. Характеристики электрометаллизаторов приведены в табл. 3. Электрометаллизатор ЭМ-6, устанавливаемый на суппорте токарного станка, предназначен для восстановления размеров изношенных цилиндрических и плоских поверхностей. Т а б л и ц а 1 - Режимы электродуговой и высокочастотной металлизации Производи-тельность металли-затора при распылении стали, кг/ч 0,8-0,9 30—35 300 1,5-2,5 5,0 2,5 0,4—0,5 __ __ 24,0 16,0 Диаметр напыляемой проволоки, мм Потребляемая мощность, кВт приме- 4,5-6,0 Сила тока, А нением с Напряжение на дуге, в Электродуговая м3/минРасход сжатого воздуха, Давление сжатого воздуха, кгс/см2 Вид металлизации электрометал- лизатора ЭМ-6 . . . Высокочастотная менением с при- 2,6-3,0 3,0-6,0 металлизатора МВЧ-1 Рекомендуемые режимы электродуговой металлизации приведены также в таблице 1. К преимуществам электрометаллизации следует отнести высокую производительность процесса. Основные недостатки электрометаллизации — значительное выгорание легирующих элементов, окисление напыленного напыляемого слоя и металла, большие низкие потери механические металла при свойства напылении. Электродуговые металлизаторы могут быть использованы для напыления сталей и цветных металлов. При газовой металлизации проволоку напыляемого металла расплавляют ацетилено-кислородным пламенем, а распыление осуществляют сжатым воздухом или инертным газом. Расход сжатого воздуха обычно составляет 0,6— 0,8 м3/мин, давление 3—5 кгс/см2. Давление ацетилена должно быть 0,04— 0,6 кгс/см2, а его расход 240-850 л/ч. Давление кислорода 2-7 кгс/см2 и расход 600-2100 л/ч. Применяемая для напыления проволока подается со скоростью 4,5-6,0 м/мин в распылительную головку с помощью специального подающего механизма, установленного в газометаллизаторе. Схема распылительной головки показана на рис. 3. Через отверстие 1 в распылительную головку поступает смесь ацетилена с кислородом и по каналам направляется к соплу. Сжатый воздух поступает через отверстие 3. При выходе из сопла струя сжатого воздуха распыляет частицы расплавленного металла 2 и наносит их на поверхность детали. Рекомендуемое расстояние от сопла до детали 100-150 мм. Для газовой металлизации выпускают металлизаторы инжекционного типа, используемые для работ вручную и на станках. Газовая металлизация обеспечивает получение покрытий высокого качества. Выгорание легирующих элементов и содержание окислов в напыленном слое при газовой металлизации значительно меньше по сравнению с электрометаллизацией. Воздух Рисунок 3 - Схема головки газометаллизатора Рисунок 4 - Схема плазменной металлизации: 1 — распыляемая проволока; 2 — наконечник для проволоки; 3 — вольфрамовый электрод; 4 — горелка; 5 — сопло Недостатком газовой металлизации является необходимость в горючем газе и более высокая стоимость покрытия. Газовая металлизация широко используется для напыления тугоплавких сплавов и металлов, например, титана. Одним из прогрессивных методов является плазменно-дуговая металлизация. При пропускании электрического тока большой плотности через газовую среду, находящуюся под повышенным давлением, газ ионизируется. Наряду с положительно и отрицательно заряженными ионами в ионизированном газе содержатся электроны и нейтральные атомы. Такое состояние вещества называется плазмой. Плазма обладает высокой электрической проводимостью и образует вокруг себя магнитное поле, которое заставляет частицы плазмы сжиматься и двигаться узким пучком. Плазменная струя служит интенсивным источником тепла; температура ее достигает 15 000° С. На рисунке 4 показана схема плазменного металлизатора. Между вольфрамовым электродом 3, горелкой 4 и медным водоохлаждаемым соплом 5 создается дуговой разряд, который проходит в узком канале, также охлаждаемом водой. В канал горелки 4 подается инертный газ, который под действием электрической дуги ионизируется и выходит из сопла 5 в виде плазменной струи. В зону плазменной струи непрерывно подается напыляемый материал 1. Расплавленные плазмой частицы напыляемого металла увлекаются плазменной струей и с высокой скоростью напыляются на поверхность детали. Скорость потока плазмы достигает 9000 м/с. В зависимости от схемы включения электрической цепи возможны различные виды плазменной дуги: открытая, закрытая и комбинированная (рисунок 5). При плазменной металлизации применяется закрытая плазменная дуга, которая образуется, когда анодом является сопло. Ремонтируемая деталь в цепь источника тока не включается. При указанной схеме включения электрической цепи температура на поверхности детали в процессе металлизации не превышает температуру плавления основного металла и, следовательно, поверхностный слой детали находится в твердом состоянии. В качестве источника постоянного тока обычно используют преобразователи ПС-500 или полупроводниковые выпрямители ИПГ-500, в качестве плазмообразующего газа применяют аргон, азот, гелий, водород или их смеси. Рекомендуемое расстояние от сопла до детали 80-120 мм. Напыляемые материалы используются в виде проволоки или порошка. Рисунок 5 - Электрические схемы плазменно-дуговых установок а — закрытая, б — открытая; в — комбинированная Для плазменной металлизации промышленностью выпускаются установки УМП-1-61, УМП-2-62 и УМП-4-64. В установке УМП-1-61 напыляемый материал применяется в виде проволоки, а в установке УМП-262 - в виде порошка. На установке УМП-4-64 можно применять для напыления как проволоку, так и порошковый материал. Плазменную металлизацию обычно применяют для напыления тугоплавких металлов и их соединений, например, вольфрама, окиси алюминия, карбидов, боридов и цветных сплавов. Применение плазмообразующих нейтральных газов предотвращает окисление напыляемых металлов. Плазменное напыление является производительным процессом. Достигается достаточно прочное сцепление напыленного слоя с металлом детали. Основной недостаток плазменной металлизации - высокая хрупкость напыленного слоя. На рисунке 6 приведена схема процесса металлизации детали. Предварительная механическая обработка необходима в связи с тем, что восстанавливаемая поверхность может иметь неравномерный износ и в процессе металлизации покрытие будет копировать профиль поверхности, что приведет к неравномерной толщине напыленного слоя после окончательной механической обработки. Чтобы обеспечить достаточную прочность сцепления напыленного слоя с основным металлом, необходимо придать восстанавливаемой поверхности шероховатость. Наиболее распространенными способами создания шероховатости являются нарезание рваной резьбы, нарезание круглой резьбы с обкаткой, накатывание поверхности накатниками, обдувка стальной или чугунной крошкой, нанесение частичек металла электросваркой и анодно-механическая обработка поверхности. Реже применяют насечку зубилом, нарезание круговых канавок, намотку проволоки и др. Нарезание рваной резьбы, насечка зубилом и анодно-механическая обработка, обеспечивая хорошее сцепление напыленного слоя с металлом детали, снижают усталостную прочность, и следовательно, не могут быть использованы для подготовки деталей, работающих при циклических нагрузках. В последнем случае рекомендуется применять обдувку дробью и накатку. Изоляцию участков, не подвергаемых металлизации, производят накладками из картона, бумаги или жести, шпоночные пазы заделывают временными деревянными пробками. Разрыв во времени между подготовкой поверхности и металлизацией не должен превышать двух часов, в противном случае происходит окисление поверхности, что снижает прочность сцепления. Следует стремиться к напылению такого металла, коэффициент теплового расширения которого близок коэффициенту расширения металла детали. В напыленном слое при охлаждении происходит усадка, в результате чего возникают значительные остаточные напряжения. Это приводит к увеличению сцепления покрытия с основным металлом при металлизации наружных цилиндрических поверхностей. При металлизации внутренних поверхностей возникающие в слое остаточные напряжения приводят к образованию трещин и отслаиванию покрытия. Напряжения в напыленном слое возрастают с увеличением его толщины. Последовательное нанесение металлизационного покрытия тонкими слоями'(0,05—0,1 мм) с охлаждением каждого слоя, применение в качестве материала для напыления сталей с повышенным содержанием углерода (0,7%) и предварительный подогрев поверхности детали до 270-370 °С позволяют избежать трещин и повысить прочность сцепления. С целью повышения сцепления покрытия с металлом детали используют для дутья инертные газы вместо воздуха, проводят термическую обработку после металлизации и применяют подслой из легкоплавких металлов и сплавов. Внутренние цилиндрические поверхности металлизируют с предварительным подогревом до 100-150° С, что обеспечивает лучшее сцепление покрытия с металлизируемой поверхностью детали, вследствие уменьшения величины остаточных напряжений. После металлизации производят механическую и термическую обработку детали для получения необходимых размеров, чистоты и качества восстанавливаемой поверхности. Очистка металлизируемой поверхности Предварительная механическая обработка для придания требуемой геометрической формы и размера Придание наибольшей шероховатости Изоляция участков поверхности, не подвергаемых металлизации Металлизация Обработка детали после металлизации для получения требуемых размеров, точности и шероховатости поверхности Рисунок 6 - Схема процесса металлизации детали Для более прочного сцепления покрытия с материалом детали рекомендуется, чтобы толщина напыленного слоя после окончательной обработки была не менее 0,6 мм при диаметре поверхности детали до 25 мм и 0,95-1,0 мм при большем диаметре. Учитывая невысокие механические свойства напыленного слоя, механическую обработку следует производить после полного остывания детали на пониженных режимах и специально заточенным режущим инструментом. К преимуществам металлизации относятся: высокая производительность и экономичность процесса, повышенная твердость покрытия по сравнению с исходной твердостью напыляемого металла (для стали на 30-40%), возможность получения покрытия толщиной до 10-15 мм, проведение процесса без нагревания детали, что позволяет напылять металл на поверхность деталей из пластмассы, дерева, картона и других материалов, повышенная износостойкость покрытий при жидкостном трении, вследствие впитывания масла в пористый напыленный слой. Металлизация имеет существенные недостатки, а именно: невысокая прочность сцепления напыленного слоя с металлом детали, неоднородность покрытия вследствие значительного содержания окислов, малая износостойкость покрытия при недостатке смазки, так как покрытие в этом случае выкрашивается, снижение усталостной прочности ремонтируемой детали до 50% (в зависимости от способа подготовки поверхности). Металлизацию применяют для восстановления изношенных плоских, цилиндрических наружных и внутренних поверхностей, получения антифрикционных и коррозионностойких покрытий и восстановления неподвижных посадок. Металлизация используется также для получения в узлах трения обратных пар, в которых подшипник целиком изготовлен из стали, а на сопрягаемую с ним шейку вала нанесено металлизационное покрытие из более мягкого антифрикционного металла. Исследованиями установлено, что обратная пара по сравнению с прямой имеет меньший прирост зазора в процессе работы за счет распределения износа по всей поверхности покрытия вала. Задание: 1. Очистка металлизируемой поверхности (обезжирить в щелочах, протравить в кислотах). 2. Провести механическую обработку для придания требуемой геометрической формы и размера. Придание 3. наибольшей шероховатости для обеспечения достаточной прочности сцепления напыленного слоя с основным Ме (нарезать рваную резьбу или другим способом). Изолировать 4. участки поверхности, не подвергаемые металлизации, накладками из картона, бумаги или жести, шпоночные пазы заделывают временными деревянными шпонками. 5. Металлизация. 6. Обработка детали после металлизации для получения требуемых размеров, точности и шероховатости поверхности. Практическое занятие № 2. Ремонт вкладышей подшипников, бронзовых втулок меднением Цель работы: изучить: процесс меднения, типы электролитов, аноды, материалы для ванн, технологический процесс ремонта деталей меднением. Приборы и материалы: ванна для гальванического наращивания, облицованная листовым свинцом, аноды – медные пластины из меди марки М1, сернокислые электролиты (200 г/л медного купороса и 50 г/л серной кислоты). Для меднения деталей применяют два типа электролитов: сернокислые и цианистые. Последние обладают значительной токсичностью, в связи с чем на ремонтных предприятиях применяются редко. В состав сернокислых электролитов входит 200 г/л медного купороса и 50 г/л серной кислоты. Процесс ведется при температуре электролита 25300С и плотности тока 0,5 А/дм2. Аноды при меднении применяют растворимые. В качестве анода используют медные пластины из меди марки М1, катодом является ремонтируемая деталь. Ванна для Предварительная меднения обработка облицовывается наращиваемой листовым поверхности свинцом. состоит в шлифовании с последующим обезжириванием и тщательной промывкой водой. На ремонтных предприятиях меднение применяют при восстановлении размеров бронзовых втулок, вкладышей подшипников, для облегчения приработка трущихся поверхностей и т.п. Задание: Очистить от загрязнений деталь. 1. 2. Провести механическую обработку для придания нужного геометрического размера. Промыть деталь в бензине. 3. 4. Изолировать участки, не подвергаемые меднению. 5. Монтировать деталь втулки на подвеске, шлифовать. 6. Обезжирить деталь в щелочи. 7. Промыть в холодной воде. 8. Провести процесс меднения при t° = 25-30 °С электролита и плотности тока 0,5 А/дм2. 9. Промывка в воде дистиллированной. 10.Промывка в воде холодной. 11.Промывка в воде горячей. 12.Демонтаж с подвески и снятие изоляции. 13.Сушка. 14.Термическая обработка. 15.Предварительный контроль. 16.Механическая обработка. 17.Окончательный контроль. 18. Вычислить теоретическое количество вещества, выделяющегося при электролизе на катоде Gт. 19.Вычислить коэффициент полезного действия ванны х. 20.Вычислить среднюю толщину слоя металла, осажденного на катоде h. Практическое занятие № 3. Хромирование деталей, шеек валов, штоков насосов. Цель работы: хромированием шеек изучить валов, процесс штоков гальванического насосов; наращивания пористое и твердое хромирование; электролитическое хромирование. Приборы и материалы: ванны для хромирования из листового железа и облицованная внутри сплавом свинца 5-6 % сурьмы или керамическими плитками, электролиты (CuO3 и H2SO4), аноды – гладкий и пористый хром. Электролитическое хромирование применяют для восстановления размеров изношенных деталей и получения декоративных, коррозионностойких и износостойких покрытий. Электролитический хром обладает высокой коррозионной стойкостью, низким коэффициентом трения, высокой твердостью, жаростойкостью, высоким пределом текучести. При тщательной подготовке поверхности прочность сцепления хрома со сталью, чугуном, медью и латунью достигает при сдвиге 30 кгс/мм2. Однако стали с высоким содержанием вольфрама и кобальта, а также высокоуглеродистые стали и высококремнистые чугуны хромировать нельзя, вследствие низкой прочности сцепления. Прочность сцепления резко снижается с увеличением толщины покрытия, в связи с ростом остаточных напряжений. При увеличении толщины от 0,1 до 0,5 мм предел прочности покрытия уменьшается в 2—3 раза. После хромирования снижается также усталостная прочность деталей вследствие значительной величины остаточных напряжений в покрытии. С увеличением толщины покрытия усталостная прочность снижается более значительно. Усталостная прочность углеродистых сталей в результате хромирования снижается на 25—40%. Для ее повышения применяют высокотемпературный отпуск и наклеп поверхности перед хромированием с целью создания напряжений сжатия, обратных по знаку напряжениям, возникающим в покрытии при его формировании. Различают следующие виды износостойкого хрома: гладкий по накатке и пористый. Гладкий хром следует применять в условиях достаточной смазки при небольших скоростях скольжения. Пористый хром имеет хорошую износостойкость в условиях граничного трения, так как смазка, находящаяся в порах покрытия, препятствует развитию процессов схватывания. Пористый хром по сравнению с гладким прирабатывается значительно легче. В промышленности применяют как гладкие, так и пористые хромовые покрытия. Электрохимическое осаждение хрома отличается от других процессов как по составу электролита, так и по условиям протекания процесса. В большинстве случаев осаждение хрома осуществляется в электролите, содержащем хромовый ангидрид с добавкой серной кислоты. Хромовый ангидрид растворяют в дистиллированной воде и после отстаивания переливают в ванну, в которую затем добавляют необходимое количество серной кислоты. На процесс осаждения хрома большое влияние оказывает соотношение между концентрациями хромового ангидрида и серной кислоты, которое должно находиться в пределах 90-120; при этом выход хрома по току наибольший. Концентрацию хромового ангидрида в электролите можно изменять в довольно широких пределах. Однако с ее увеличением при прочих равных условиях выход по току падает. Поэтому на практике получили распространение горячие электролиты с концентрацией СгО3 от 150 до 350 г/л. Составы электролитов приведены в таблице 2. Т а б л и ц а 2 - Электролиты для хромирования Концентрация электролита Состав электролита, г/л (СгОз) СгОз H2SO4 Назначение Низкая ......... Средняя 150 ......... 200—250 1,5 Для повышения износостойкости 2,0-2,5 Для повышения износостойкости и защитно- декоративных целей Высокая......... 300-400 3,0-4,0 Для защитно-декоративных целей При хромировании применяют нерастворимые аноды из свинца или сплава свинца с сурьмой. Ванны для хромирования изготовляют из листового железа и облицовывают внутри сплавом свинца с 5-6% сурьмы или керамическими плитками. Величина зазора между хромируемыми деталями и анодом должна быть не менее 30 мм, а между деталью, дном и зеркалом ванны не менее 50 мм. Электролиты с меньшей концентрацией СгО3 позволяют получить более высокую твердость хромового покрытия и больший выход по току, однако подобные электролиты необходимо чаще корректировать в процессе электролиза и применять большее напряжение. Физико-механические свойства хромового покрытия зависят от режима хромирования и толщины покрытия. Условно хромовые покрытия разделяют на три вида: молочные, блестящие и матовые. Блестящие покрытия отличаются высокой твердостью, достаточно высокой износостойкостью и хрупкостью, имеют на поверхности мелкую сетку трещин. Молочные осадки наиболее мягкие и вязкие, без трещин, по сравнению с блестящими обладают большей износостойкостью. Матовые осадки имеют повышенную твердость и хрупкость, характеризуются низкой износостойкостью, наличием сетки трещин на поверхности. В таблице 3 приведены данные о влиянии режимов хромирования на вид осадка хрома. В зависимости от условий работы деталей выбирают осадок с требуемыми свойствами; например, для изнашиваемых деталей, работающих при небольших удельных нагрузках (до 5 кгс/см2), следует рекомендовать блестящие осадки, а при больших контактных давлениях и знакопеременных нагрузках — молочные осадки. Наиболее высокие физико-механические свойства хромового покрытия достигаются при толщине слоя h < 0,25 мм. Таблица Влияние режимов хромирования на вид и свойства 3 - электролитического осадка Режим хромирования температура электролита, °С Осадок Толщина Механические свойства хромового покрытия слоя плотность хрома, мм тока, А/ДМ* прочность прочность сцепления с основным покрытия при металлом при сдвиге, кгс/ммг сдвиге, кгс/мм2 65 55 45 Молочный 25 Блестящий 35 Матовый 40 0,1 50,5 0,3 27,6 0,5 16,3 0,1 62,5 0,3 39,8 0,5 30,8 0,1 60,0 0,3 36.6 0,5 25,7 30 30 30 Если деталь работает при статических удельных нагрузках q ≤ 80 кгс/мм2, рекомендуется толщина слоя h = 0,11—0,13 мм и цвет покрытия матово-блестящий. При динамических удельных нагрузках q ≤ 5 кгс/мм2 толщина слоя должна быть h = 0,05—0,11 мм, а при q ≤ 20 кгс/мм2 и повышенных температурах рекомендуемая толщина слоя h = 0,03—0,05 мм. В последнем случае применяется покрытие молочное или молочно-блестящее. Для повышения износостойкости применяют пористое хромирование. В покрытии создаются микропоры и каналы, которые обеспечивают большую его маслоемкость. что особенно важно при работе в условиях недостаточной смазки. Пористое хромирование отличается от твердого дополнительной анодной обработкой (дехромирование) после наращивания хромового покрытия. При дехромировании растворение хрома происходит неравномерно и преимущественно по трещинам, которые расширяются и углубляются. Анодная обработка ведется в той же ванне, что и хромирование, причем анодом служит обрабатываемая деталь, а катодом — свинцовые пластины. Режим дехромирования также играет важную роль в создании пористости. Пористость хрома бывает двух типов: канальчатая и точечная. Характер пористости определяется в основном режимом хромирования. Для получения точечной пористости рекомендуется следующий режим: температура 50— 52° С, плотность тока 45—55 А/дм2, для канальчатой — температура 60° С и плотность тока 55—60 А/дм2. Режим анодной обработки: температура 50— 60° С, плотность тока 40—45 А/дм2, время 5— 10 мин. Для получения канальчатого хрома анодной обработке подвергают молочные и молочно-блестящие осадки, для получения пористого хрома — матовые и матово-блестящие осадки. Точечная пористость обладает большей маслоемкостыо и поэтому применяется для деталей, работающих в особо тяжелых условиях. Покрытия с точечной пористостью характеризуются быстрой прирабатываемостью, но износостойкость их несколько ниже, чем канальчатых. Канальчатым хромом покрывают, например, гильзы цилиндров, а точечным — поршневые кольца двигателей. Для повышения качества покрытия и увеличения выхода по току применяют хромирование в саморегулирующихся электролитах, струйное и проточное хромирование, полярности. а Применение также хромирование на саморегулирующихся токе переменной сульфатно-кремне- фторидных электролитов обеспечивает высокую стабильность работы ванны и дает возможность получить значительную толщину покрытия (до 1 мм) без ухудшения механических свойств. При этом выход по току составляет 17— 24%. Рекомендуется следующий состав саморегулирующегося электролита (в г/л): 225—300 хромового ангидрида (СгО3), 5,5—6,5 сульфата стронция (SrSO4) и 18—20 кремнефторида калия (K2SiF6). Температура хромирования 50—70° С, а плотность тока 50—100 А/дм2. Хромирование струйное и в проточном электролите заключается в постоянной подаче электролита в зону электролиза, что обеспечивает перемешивание его в межэлектродном пространстве. При этом возрастает поток подводимых ионов и облегчается разряд ионов на катоде. Кроме того, постоянное обновление электролита способствует повышению проводимости электролита, быстрому отводу газов, выделяющихся в процессе электролиза, уменьшению степени насыщения деталей водородом и улучшению качества хромовых покрытий. Наиболее интенсивное перемешивание может быть достигнуто при анодно-струйном хромировании, при котором подача электролита в зону электролиза осуществляется одновременно по всей наращиваемой поверхности через прорези или отверстия в аноде. При этом снижаются остаточные напряжения, возрастает твердость и повышается равномерность покрытия, увеличивается прочность сцепления. Периодическое изменение направления тока (реверсирование) в процессе хромирования, т. е. хромирование на токе переменной полярности, позволяет улучшить качество осадка и интенсивность процесса более чем вдвое. Осадки имеют более совершенную мелкокристаллическую структуру, достигается более равномерное распределение хрома по всей поверхности, вследствие частичного удаления газов из осадков при электролизе, шероховатость поверхности уменьшается на 1—2 класса. При этом можно получить как пористый, так и гладкий хром. Рекомендуемый режим реверсивного хромирования: плотность тока 60— 150 А/дм2, температура 45—60° С, продолжительность каждого катодного цикла 10—15 мин, анодного — 10—15 с. При увеличении анодного цикла до 15—20 с появляется более густая сетка трещин; дальнейшее увеличение этого периода вызывает ухудшение структуры пористого хрома. Схема технологического процесса ремонта деталей электролитическим хромированием приведена на рис. 7/. Операции, предшествующие хромированию, являются подготовительными. Шероховатость поверхности под хромирование должна соответствовать девятому классу. Окончательное обезжиривание деталей выполняется венской известью, представляющей собой сухую смесь окиси кальция и окиси магния в соотношении 1:1. Известь разводят водой до кашицеобразного состояния и при помощи волосяной щетки протирают поверхность детали. Для удаления окисных пленок применяют химическое или анодное декапирование. Химическое декапирование — слабое протравливание детали (продолжительность до 2 мин) в 3—5%-ном растворе серной или соляной кислоты (для деталей из черных металлов) или в растворе, содержащем 3% азотной и 2% серной кислот (для деталей из цветных металлов). Анодное декапирование выполняется в электролите того же состава, который применяется для хромирования; при этом деталь является анодом, а катодом служат свинцовые пластины. Часто анодное декапирование проводится в той же ванне, в которой хромируется деталь, а полюсность ванны изменяют с помощью рубильника. Анодное декапирование производится в течение 0,5— 1 мин при плотности тока 25—30 А/дм2. После хромирования деталь промывают, термически обрабатывают (нагрев в масляной ванне до 150—200° С с выдержкой до 3 ч с целью удаления из покрытия водорода, вызывающего хрупкость слоя, а затем шлифуют до получения необходимых размеров. При анодной обработке у выхода из каналов появляются бугорки высотой до 0,8 мкм. Поэтому отделочные операции рекомендуется выполнять после анодной обработки. Для сохранения пористости при снятии большого слоя хрома механическую обработку иногда выполняют в два этапа: предварительную после хромирования и окончательную после анодной обработки. Для обработки пористого хрома рекомендуется применять анодно-механическое шлифование. Контроль хромового покрытия осуществляется путем наружного осмотра с целью обнаружения чешуйчатости, шелушения с последующим простукиванием медным молотком (покрытие не должно отслаиваться). К преимуществам электролитического хромирования относятся: 1) высокая прочность сцепления покрытия с основным металлом; 2) возможность получения покрытия с высокой износостойкостью, а также с химической и тепловой стойкостью. Недостатки технологического - длительность, процесса, особенно сложность и трудоемкость вспомогательных операций, ограниченная толщина покрытия, низкий выход по току и высокая стоимость. Хромирование применяют при ремонте штоков насосов, гильз цилиндров двигателей и насосов, гнезд подшипников, шеек валов и других деталей. Следует учитывать, что при хромировании можно получить покрытия небольшой толщины. Поэтому восстановление изношенных поверхностей деталей хромированием применяют, когда необходимо нарастить изношенную поверхность в долях миллиметра или когда надо увеличить износостойкость трущейся части детали. Задание: 1. Очистить от загрязнений деталь. 2. Провести механическую обработку для придания геометрического размера. 3. Промыть деталь в бензине. 4. Очистить от загрязнений деталь. Очистка от загрязнений Механическая обработка Промывка в бензине Окончательный контроль Механическая обработка Предварительный контроль нужного Изоляция участков не одвергаемых хромированию Термическая обработка Сушка Монтаж на подвеске Обезжиривание Демонтаж с подвески и снятие изоляции Промывка в холодной воде Промывка в горячей воде Анодная обработка при пористом хромировании Декапирование Хромирование Промывка в холодной проточной воде Промывка в дистиллированной воде Рисунок 7 - Схема технологического процесса ремонта деталей электролитическим хромированием Задание: 5. Провести механическую обработку для придания нужного геометрического размера. 6. Промыть деталь в бензине. 7. Изолировать участки, не подвергаемые меднению. 8. Монтировать деталь втулки на подвеске, шлифовать. 9. Обезжирить деталь в щелочи. 10.Промыть в холодной воде. 11.Провести процесс хромирования при t = 50-70 °С, а плотность тока 50-100 А/ дм2. 12.Промывка в воде дистиллированной. 13.Промывка в воде холодной. 14.Промывка в воде горячей. 15.Демонтаж с подвески и снятие изоляции. 16.Сушка. 17.Термическая обработка. 18.Предварительный контроль. 19.Механическая обработка. 20.Окончательный контроль. 21. Вычислить теоретическое количество вещества, выделяющегося при электролизе на катоде Gт. 22.Вычислить коэффициент полезного действия ванны х. 23.Вычислить среднюю толщину слоя металла, осажденного на катоде h. Практическое занятие № 4. Ремонт деталей гальваническим наращиванием. Электролитическое осталивание втулок и валов под запрессовку Цель работы: изучить процесс электролитического осталивания, виды электролитов, преимущества процесса осталивания и недостатки, технологический процесс. Приборы и материалы: электролиты – хлористое железо, хлористый натрий, хлористый марганец; аноды – малоуглеродистая сталь или железо Армко, ванны с внутренним нагревом и внешним нагревом электролита через масляную рубашку из химически стойких материалов с невысокой теплопроводностью (фаялит, кислотоугарный бетон, силикатные плиты на кислотоупорном цементе). Гальваническое наращивание металла на поверхность детали основано на процессе электролиза. Под действием постоянного электрического тока, поступающего в электролит через проводники-электроды, положительно заряженные ионы (катионы) движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы (анионы) к аноду (рисунок 8). Рисунок 8. Схема процесса электролиза При достижении катода положительными ионами и анода отрицательными образуются нейтральные атомы. В результате на катоде, в качестве которого используется восстанавливаемая деталь, выделяются металл и водород, а на аноде — кислотные и водные остатки. Электролиз металлов может осуществляться с растворимыми и нерастворимыми анодами. Растворимые аноды изготовляют из железа Армко, меди или никеля в зависимости от вида электролитического процесса; нерастворимые — из свинца, платины и других металлов. При электролизе с нерастворимыми анодами пополнение электролита ионами металла осуществляется за счет добавления в электролит вещества, содержащего ионы осаждаемого металла. Теоретическое количество вещества, выделяющегося при электролизе на катоде, согласно закону Фарадея определяется по формуле: GT = CIT, где Gr — количество вещества, осаждаемое на катоде, г; С — электрохимический эквивалент, г/(А·ч); / — сила тока, А; Т — время протекания электрического тока через электролит, ч. Фактическая масса осажденного металла Gф всегда меньше теоретической, так как в электролите одновременно протекают другие процессы, на что расходуется часть энергии. При электроосаждении металлов, стоящих в ряду напряжений выше водорода, одновременно с ними происходит выделение водорода, который в большинстве случаев ухудшает качество покрытий, придавая им хрупкость, и увеличивает продолжительность электролиза, так как часть электрической энергии расходуется на его выделение. Отношение фактической массы осажденного металла к теоретической называется выходом по току и характеризует коэффициент полезного действия ванны: 100%. G ф 100 % G т При хромировании выход по току составляет 12—18%, для других процессов гальванического наращивания — 60—90%. Среднюю толщину слоя металла, осажденного на катоде, определяют по формуле: CD kT h 1000 где h — средняя толщина слоя, мм; Gф — фактическая масса осажденного металла, г; F — площадь покрываемой поверхности детали, дм2; ρ — плотность осаждаемого металла, г/см3; DK = I/F — плотность тока, А/дм2; а — выход по току, %. Электрохимические эквиваленты для некоторых металлов приведены в таблице 3. В комплект оборудования для гальванического наращивания входят: источник постоянного тока, ванны с различными химически стойкими облицовками, специальные нагревательные контактные устройства, и бортовая подвесные вентиляционная приспособления, установка для удаления вредных испарений с поверхности электролита в ванне (рисунок 9). Т а б л и ц а 3 - Электрохимические эквиваленты и выход по току некоторых металлов в кислых электролитах Металл Ионы Электрохи- Плотность Толщина осадка на 1 Выход мический металла, А·ч, по току, эквивалент, г/см3 мкм % г/(А-ч) Теорети- Практи- ческая ческая Хром Сг+++ 0,323 7,1 4,96 0,6 13—18 Железо Fe++ 1,043 7,8 13,34 13,0 85-95 1,095 8,8 12,44 10,6 90 1,186 8,9 13,33 13,0 98 1,220 7,0 17,43 16,0 92 Никель Ni Медь Си Цинк Zn++ ++ ++ Рисунок 9 - Схема ванны для гальванического наращивания: 1 — ванна; 2 — кожух масляной рубашки; 3 — теплоизоляция; 4 — поперечный угольник; ,5 — устройство для крепления анодов; 6 — камера регулирования отсоса; 7 — вентиляционный кожух; 8 — прокладка; 9 — фундамент; 10 — электронагреватель; 11 —• экран; 12 — передний щиток В качестве источника постоянного тока используются генераторы напряжения 6-12 В и силой тока 250-5000 А, также селеновые и меднозакисные выпрямители. Процесс гальванического покрытия должен обеспечивать получение мелкокристаллического обладающего равномерного минимальной осадка хрупкостью, необходимой сплошностью, толщины, достаточной твердостью и имеющего прочное сцепление с основным металлом. Качество покрытия зависит от тщательности предварительной подготовки поверхности, на которую наносится покрытие, постоянства состава электролита, его температуры, кислотности, плотности тока, а также от расположения детали и анода в гальванической ванне. Равномерность покрытия в значительной степени определяется рассеивающей способностью электролита. С увеличением расстояния между деталью и анодом равномерность покрытия повышается. Материал и форма анода зависят от вида покрытия и формы детали. При нанесении покрытий на детали сложной конфигурации на выступающих частях детали откладывается большее количество металла. Для получения равномерного покрытия применяют фигурные аноды, повторяющие форму покрываемой детали. Для восстановления размеров изношенных поверхностей наибольшее применение находят электролитическое хромирование, осталивание, меднение и твердое никелирование. При прохождении постоянного тока низкого напряжения через раствор солей железа происходит осаждение на катоде (ремонтируемой детали) электролитического железа. Прочность и твердость осажденного слоя приближаются к аналогичным свойствам среднеуглеродистой стали, поэтому процесс получил название осталивание. В зависимости от состава электролита и режима осталивания получают мягкие покрытия с твердостью, соответствующей углеродистой незакаленной стали (НВ 120—220), и твердые покрытия с твердостью, соответствующей закаленной стали (НВ 250—600). Прочность сцепления на отрыв покрытия со сталью, медью и чугуном достигает 15 кгс/мм2, благодаря чему восстановленная деталь надежно работает при больших нагрузках. Снижение усталостной прочности деталей после осталивания меньше, чем при хромировании. Процесс осталивания характеризуется достаточно высоким выходом по току (а = 0,85—0,95). Для электролитического осталивания известно несколько типов электролитов: хлористые, сернокислые, борфтористоводородные, хлористоаммониевые электролиты на основе солей железа. Для осталивания применяют холодные и горячие электролиты. Наибольшее применение на ремонтных предприятиях нашли горячие хлористые электролиты, превосходящие сернокислые по производительности и качеству осажденного слоя. При использовании хлористых электролитов применяют растворимые аноды, изготовленные из малоуглеродистой стали или железа Армко. В зависимости от содержания хлористого железа хлористые электролиты разделяют на три типа: высококонцентрированные, среднеконцентрированные и малоконцентрированные (таблица 4). Т а б л и ц а 4- Составы электролитов и режимы для осталивания Компоненты и показатели Содержание компонентов (в г/л) в зависимости от типа процесса электролита Высоконцентри- Среднеконцен- Малоконцентри- рованный трированный рованный Хлористое железо 680 450—500 200 Хлористый натрий - 100 100 Хлористый марганец - 10 10 0,8—1,5 0,5—0,8 0,5—0,8 10—20 40—50 20—40 95-100 60—80 60-80 3 -5 2-3 До 1,5 120—150 500—550 600-650 Соляная кислота Плотность тока, А/дм 2 Температура электролита, ° С Толщина слоя, мм Твердость покрытия Для приготовления электролита очищенную и обезжиренную стружку малоуглеродистой стали (в количестве на 5—10% больше рекомендуемого по рецепту) загружают в раствор соляной кислоты с дистиллированной или кипяченой водой (50% от объема кислоты), подогретой до температуры 3040° С. Об окончании процесса травления стружки в растворе кислоты судят по прекращению выделения пузырьков водорода. Затем засыпают необходимое количество остальных солей и после отстаивания (12—18 ч) фильтруют и корректируют кислотность, а также содержание железа в электролите до рекомендуемых величин. Введение в электролит хлористого натрия в пределах до 100 г/л обеспечивает снижение необходимого напряжения, уменьшение испарения электролита, повышение твердости покрытия и увеличение выхода по току, а добавление хлористого марганца увеличивает сцепление покрытия со сталью и чугуном в 3 раза. Рисунок 10. Пористое покрытие: а — внешний вид; б — поперечное сечение Изменение содержания кислоты в пределах 0,4—1,5 г/л незначительно отражается как на свойствах покрытия, так и на величине выхода по току, что облегчает проведение процесса осталивания и исключает брак при колебаниях кислотности. Внешний вид, структура, твердость, пластичность и износостойкость осажденного слоя в зависимости от условий электролиза изменяются в широких пределах. При более жестких режимах (высокая плотность тока и пониженная температура) получают покрытия более напряженные, отличающиеся повышенной твердостью и хрупкостью. Повышение твердости покрытия сопровождается увеличением внутренних растягивающих напряжений и при твердости 300 кгс/мм2 и выше внутренние напряжения становятся настолько большими, что разрывают покрытие; при этом, если прочность сцепления недостаточна, происходит отслаивание покрытия, а при достаточной прочности осажденный слой представляет собой блоки, разделенные микроскопическими трещинами. Для повышения износостойкости деталей, работающих в условиях недостаточной смазки, на их поверхности рекомендуется наращивать слой пористого покрытия (рис. 10). При постоянной плотности тока ширина каналов зависит от времени анодного травления. При плотности тока 25—35 А/дм2 и температуре 80° С продолжительность анодной обработки составляет 4—6 мин. Глубина каналов при этом 0,06— 0,08 мм. Детали с пористым покрытием перед сборкой рекомендуется пропитывать маслом при 100—120° С в течение 1,5—2 ч. Смачиваемость смазочными маслами у пористого электролитического железа в 12 раз больше, чем у серого чугуна, в 5 раз больше, чем у пористого хрома и в 18 раз больше, чем у гладкого электролитического железа. Перспективными для восстановления деталей являются холодные электролиты. Они менее агрессивны и более устойчивы во времени. Холодные электролиты позволяют получать осадки со скоростью осаждения металла 200—350 мк/ч и твердостью НВ 600—700. Рекомендуется следующий состав холодного хлористого электролита (в г/л): 600—700 FeCl2-4H2O; 100—150 NaCl(KCl); 15—30 МпС12-4Н2О и 0,5—2 аскорбиновой кислоты. Температура электролита 20—40° С, плотность тока 20—30 А/дм2 и кислотность рН = 1,5—3. Аскорбиновая кислота предохраняет электролит от окисления и позволяет получить неслоистое покрытие с равномерной дисперсной структурой. Введение в электролит хлористого натрия и хлористого марганца повышает электропроводность электролита; кроме того, хлористый марганец дает возможность получить более пластичные покрытия толщиной до 2—3 мм. При дополнительной анодной обработке в 25%-ном растворе серной кислоты выявляется сетка трещин и образуется пористое покрытие. Осталивание в сернокислых электролитах рекомендуется для ремонта деталей, работающих при высоком нагреве (450—500° С). Для получения толстых покрытий применяют следующий состав сернокислого электролита (в г/л): 420FeSO4-7H2O; 100Al2(SO4)3-18H2O. Температура электролита 20— 70° С, плотность тока 3—15 А/дм2, рН = 2,5—3. Прочность сцепления покрытия с металлом существенно зависит от предварительной подготовки наращиваемой поверхности и, в частности, от декапирования, т. е. анодной обработки детали, необходимой для очистки от окисных пленок. Обычно анодное травление ведут в электролите, состоящем из 365 г/л 30%-ного раствора серной кислоты и 30 г/л сернокислого железа. Катодом служит свинец или нержавеющая сталь. Обработку производят при температуре 18-25° С и плотности тока 60-80 А/дм2 в течение 20-30 с. Кроме анодного декапирования применяют травление в 5-7%-ном растворе соляной кислоты. При этом важно соблюдать концентрацию соляной кислоты и время травления. После декапирования деталь промывают в горячей воде и 0,5-2 мин выдерживают в ванне с электролитом, а затем включают ток. Сначала ток дают 10 - 25% от расчетного, а затем в течение 5-20 мин доводят силу тока до расчетного значения. Детали не должны экранировать друг друга в ванне. Расстояние от дна ванны до детали должно составлять 100-150 мм и от верхнего уровня электролита до детали 50-100 мм. Аноды при электролизе необходимо периодически извлекать из электролита и очищать стальной щеткой от шлама под струей воды. Для осталивания деталей используют ванны с внутренним нагревом (нагреватели находятся непосредственно в электролите) и внешним нагревом электролита через масляную рубашку. Ванны с внутренним нагревом изготовляют из химически стойких материалов с невысокой теплопроводностью (фаолит, кислотоупорный бетон, силикатные плиты на кислотоупорном цементе). На ремонтных предприятиях больше всего применяют металлические ванны с внешним подогревом; для стенок ванны используют кислотостойкие металлы, а также металлические, эмалевые или специальные покрытия. При получении пористых покрытий после анодной обработки проводится дополнительная доводка поверхности для удаления бугорков, образующихся после осталивания. В качестве доводочных операций применяют анодно-механическое шлифование, притирку чугунным притиром с пастой ГОИ и др. Последующая промывка детали струей керосина под давлением 4 – 5 кгс/см2 необходима для удаления из пор частиц абразива и металла. Преимущества процесса осталивания: 1. исходные материалы, входящие в состав электролита, недефицитны, дешевы; 2. выход металла по току составляет 75 – 95%; 3. скорость осаждения металла и толщина покрытия значительно выше, чем при хромировании; твердые покрытия могут быть получены толщиной 1 – 1,2 мм, а мягкие толщиной до 2 -3 мм и более; 4. механическую обработку покрытия после осталивания производят при обычных режимах резания; 5. процесс осталивания устойчив, легко регулируется и может быть автоматизирован. Недостатки процесса: 1. высокая коррозионная активность электролита; 2. сложность технологического процесса; 3. необходимость частой фильтрации электролита. Осталивание применяют для наращивания изношенных поверхностей гнезд подшипников в корпусных деталях, шеек валов, наружных поверхностей бронзовых втулок, для повышения сцепления баббита с чугунными вкладышами и т.д. Задание: 1. Очистка от загрязнений 2. Механическая обработка 3. Промывка в бензине. 4. Зачистка поверхности детали шкуркой 5. Монтаж детали на подвеске 6. Изоляция поверхностей, не подвергаемых осталиванию. 7. Обезжиривание детали венской известью. 8. Промывка в холодной проточной воде. 9. Анодная обработка в 30%-ном растворе серной кислоты (декапирование) 10.Промывка в холодной проточной воде. 11.Установка детали в ванне в выдержка без включения тока. 12.Осталивание при плотности тока 25-35 А/дм2 и температуре 800С, 4-6 минут; при плотности тока 0-30 А/дм2 и температуре 20-400С кислотность рН = 1,5-3. 13.Промывка в горячей воде 14.Нейтрализация в 10 %-ном горячем растворе соды 15.Демонтаж детали с подвески и снятия изоляции 16.Механическая обработка 17.Контроль качества покрытия 18.Монтаж детали на подвеске 19.Изоляция участков, не подвергаемых травлению 20.Анодное травление 21.Промывка в горячей воде 22.Нейтрализация в 10 %-ном горячем растворе соды 23.Промывка в горячей воде 24.Демонтаж детали с подвески и снятие изоляции 25.Механическая доводка поверхности 26.Промывка керосином 27.Термическая обработка в масле. Практическое занятие № 5. Изучение ремонта деталей механической обработкой. Способ ремонтных размеров. Цель работы: Изучить способ ремонтных размеров, провести вычисление для одностороннего и равномерного износа вал-подшипник. Приборы и материалы: штангенциркуль, пара вал-подшипник, шлифовальный станок, токарный станок. Сущность способа ремонтных размеров заключается в том, что одну из изношенных деталей сопряжения, обычно более трудоемкую, подвергают механической обработке до заранее установленного ремонтного размера с целью придания ей правильной геометрической формы и получения требуемой шероховатости поверхности, а другую деталь заменяют новой или заранее отремонтированной до этого же ремонтного размера, что обеспечивает первоначальную посадку в сопряжении. В паре вал — подшипник ремонтные размеры сопрягаемых поверхностей будут меньше, а в паре цилиндр — поршень больше первоначальных размеров. Применяют свободные и стандартные ремонтные размеры. В качестве свободного ремонтного размера принимается ближайший размер ремонтируемой детали, позволяющий получить требуемую геометрическую форму и шероховатость поверхности. Преимуществами свободных ремонтных размеров являются минимальная трудоемкость механической обработки и максимальное количество ремонтных размеров. Недостатки этого способа: 1) нельзя изготовить другую деталь сопряжения, пока не отремонтирована более трудоемкая; 2) исключается взаимозаменяемость деталей. Рисунок 1 - Схема определения ремонтного размера а) при равномерном износе вала б) при одностороннем износе вала Стандартные ремонтные размеры устанавливают заблаговременно, определяют их количество и численные значения. Под эти размеры выпускаются комплекты запасных частей. В таблице 1 в качестве примера приведены ремонтные размеры для некоторых деталей бурового оборудования. Для определения ремонтных размеров пары вал — подшипник рассмотрим следующие два случая: 1. износ вала равномерный по окружности (рисунок 1, а) 2. износ вала односторонний (рисунок 1, б) Вал с равномерным износом ремонтируется механической обработкой (при наличии на изношенной поверхности царапин, рисок и т. п.), либо (при хорошем качестве изношенной поверхности) простой заменой сопряженной детали деталью с ремонтными размерами. Ремонтные размеры шейки вала определяются из следующих соотношений: I ремонтный размер dp1 = dн – (δпр + 2х) = dн – w I I ремонтный размер dp2 = dp1 – w I I I ремонтный размер dp3 = dp2 – w где dн – первоначальный диаметр вала, мм; dp1, dp2, dp3 – ремонтные размеры вала, мм; δпр – максимальная величина износа вала на диаметр, мм; х - припуск на сторону на механическую обработку для получения ремонтного размера, мм; w - ремонтный интервал, мм Т а б л и ц а 1 - Ремонтные размеры для некоторых деталей бурового оборудования Восстанавливаемая поверхность Первоначальный размер, мм Ремонтные размеры, мм I II III IV Шпоночный паз кривошип- 50+0,17 ного вала бурового насоса (по ширине) У8-3 ..................................... 52,0 54,0 58,0 60,0 Отверстие малой головки ша- 180А (диаметр туна бурового насоса У8-3…. отверстия) 181А 182А - - М135ХЗ - - - Внутренняя резьба ствола М130ХЗ вертлюга У6-130-1 ……......... w = δпр + 2х При назначении числа ремонтных размеров следует учитывать, что изменение размеров детали уменьшает ее прочность, жесткость и в некоторых случаях приводит к увеличению удельных нагрузок. Число ремонтных размеров для валов d dmin n н w где dmin — предельно допустимый наименьший размер вала, мм. При восстановлении шейки вала с односторонним износом необходима механическая обработка для придания изношенной детали правильной геометрической формы и удаления дефектного поверхностного слоя. В этом случае ремонтные размеры шейки вала будут: dp1= dн – 2(δпр + х) = dн - w dp2 = dp1 - w Величина δпр определяется из уравнения Smax – Sнач = δпр + δподш = δпр + εδпр = δпр(1 + ε) где Smax - максимально допустимый зазор в сопряжении, мм; Sнач - начальный зазор в сопряжении, мм; ε - коэффициент, учитывающий, во сколько раз подшипник изнашивается быстрее, чем вал; δподш - износ подшипника, мм. Для регулировки зазора в подшипниках скольжения обычно применяют прокладки, постепенно удаляемые по мере изнашивания деталей для доведения зазора до величины Sнач. Обозначив общую толщину прокладок буквой т, получим: Smax – Sнач + m = δпр + εδпр = δпр(1 + ε) Отсюда S S m maxнач пр 1 Для внутренних цилиндрических поверхностей расчетные формулы для первых и последующих ремонтных размеров будут следующие: при равномерном износе Dp1=Dн + (δпр + 2х) = Dн + w Dp2 = Dp1 + w; Dp3 = Dp2 + w при одностороннем износе Dp1=Dн + 2(δпр + 2х) = Dн + w Dp2 = Dp1 + w где DH — первоначальный размер отверстия, мм; Dp1, Dp2, Dp3 — ремонтные размеры отверстия, мм. Положительными сторонами способа ремонтных размеров являются: увеличение срока службы и простота технологии ремонта более дорогой и трудоемкой детали сопряжения; возможность заранее организовать изготовление заменяемых деталей сопряжения, что позволяет сократить сроки ремонта и снизить его стоимость. К отрицательным необходимость в сторонам замене этого сопряженной способа детали; следует наличие отнести нескольких ремонтных размеров деталей, что помимо эксплуатационных неудобств вызывает необходимость иметь лишний резерв запасных частей. Несмотря на эти недостатки ремонт нефтегазопромыслового крупных и оборудования дорогих часто деталей бурового производят и способом ремонтных размеров. Способ ремонтных размеров применяют при ремонте цилиндров компрессоров и двигателей внутреннего сгорания, цилиндровых втулок поршневых насосов, шеек коленчатых валов, зубчатого венца стола ротора и других деталей. Задание: 1. Установить стандартные ремонтные размеры для пары вал-подшипник. 2. Определить количество и численные значения ремонтных размеров пары вал-подшипник. 3. Провести механическую обработку для придания изношенной детали правильной геометрической формы и удаления дефектного поверхностного слоя. 4. Рассчитать ремонтные размеры шейки вала для случая одностороннего износа. 5. Рассчитать максимальную величину износа при применении прокладок. 6. Рассчитать ремонтные размеры для внутренних цилиндрических поверхностей. Практическое занятие № 6. Ремонт давлением втулок и валов. Цель работы: изучить ремонт деталей давлением, виды ремонта давлением, температурный режим для ремонта давлением. Приборы и материалы: приспособление для осадки изношенных шестерен (или бронзовых втулок) подшипников скольжения, приспособления для раздачи и обжатия втулок, приспособление для накатки шеек валов (ролик) под подшипники качения, приспособления для правки изогнутых и скрученных валов, штанг и труб; прессы, пневмомолотки, штангенциркуль. Ремонт первоначальных деталей давлением размеров заключается рабочих в поверхностей восстановлении пластическим деформированием за счет перераспределения материала детали. В процессе деформирования материал детали вытесняется с нерабочих участков на изношенные поверхности, в результате чего восстанавливаются форма и размеры этих поверхностей. При ремонте деталей давлением необходимо, чтобы выполнялись следующие основные требования: 1) наличие запаса материала на нерабочих участках ремонтируемой детали; 2) достаточная пластичность материала; 3) механические свойства отремонтированной детали должны быть не ниже, чем у новой; 4) объемы механической и термической обработки должны быть минимальными; 5) при ремонте этим способом закаленных или поверхностно-упрочненных деталей необходимо предварительно произвести отпуск или отжиг детали. Детали из непластичных материалов, например из чугуна, а также детали с малыми запасами прочности ремонтировать давлением невозможно. и сложной конфигурации Рисунок 2 – Виды обработки деталей давлением На процесс пластического деформирования детали большое влияние оказывают химический состав металла, характер структуры, содержание примесей и размер зерна. Наибольшей пластичностью обладают химически чистые металлы. Уменьшение размера зерна приводит к увеличению сопротивления деформированию, особенно в холодном состоянии. Температура нагрева детали в значительной мере влияет на сопротивление деформированию. Детали из бронзы, латуни, малоуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,3% можно деформировать в холодном состоянии, детали из высокоуглеродистых сталей — только в горячем состоянии. Для ремонта деталей давлением рекомендуется пользоваться прессами, допускается применять молоты. На рисунок 2 представлены схемы различных видов ремонта давлением изношенных деталей: осадка, раздача, обжатие, вытяжка и накатка. Осадка применяется для увеличения наружных размеров сплошных и полых деталей и уменьшения внутренних размеров полых деталей за счет снижения их высоты. При осадке направление внешней силы Р, действующей по вертикальной оси детали, не совпадает с направлением деформации δ. Раздача применяется для увеличения наружных размеров детали при сохранении или незначительном изменении ее высоты. В этом случае направление действующей силы Р совпадает с направлением требуемой деформации δ, и металл перемещается от центра к периферии. Обжатие используется для уменьшения размера внутренней поверхности полой детали за счет уменьшения размера ее наружной поверхности. При обжатии направление действующей силы совпадает с направлением требуемой деформации δ, происходит перемещение металла от периферии к центру. На рисунке 3 представлено приспособление для обжатия втулок. Вытяжка применяется для увеличения длины детали за счет местного сужения ее поперечного сечения на небольшом участке. При вытяжке направление действующей силы Р не совпадает с направлением требуемой деформации δ. Накатка применяется для увеличения наружных или уменьшения внутренних размеров детали за счет выдавливания металла на отдельных участках поверхностей. При накатке направление действующей силы Р противоположно направлению требуемой деформации δ. Правка (рисунок 4) применяется для восстановления формы деформированных деталей. При правке направление действующей силы Р совпадает Рисунок 3 - Приспособление для обжатия втулок: 1 - пуансон; 2 -ремонтируемая деталь; 3 - матрица; 4 - опорная втулка Рисунок 4. Схема правки с направлением деформации δ. Применяется правка статическим нагружением и наклепом. Правку статическим нагружением осуществляют на прессах. Ее недостатками являются трудность получения стабильной формы из-за обратного последействия, снижение усталостной прочности и уменьшение несущей способности детали. Для стабилизации правки статическим нагружением применяют нагрев или двойную правку, т. е. деталь перегибают в противоположную сторону, а затем повторной правкой ее выпрямляют. Правка деталей наклепом, в отличие от статического нагружения, позволяет вести процесс в требуемом направлении и на любом участке детали. Правку наклепом обычно осуществляют пневмомолотками. Затем обязательно проверяют детали на отсутствие трещин. Преимуществами ремонта деталей давлением являются высокое качество восстановления, использование стандартного оборудования, отсутствие потребности в наращивании металла, т. е. экономичность процесса. Недостатки способа - ограниченная номенклатура ремонтируемых деталей, необходимость в некоторых случаях в повторной термической обработке и потребность в специальной оснастке для ремонтируемых деталей каждого типоразмера. На ремонтных предприятиях нефтяной и газовой промышленности указанный способ используют для ремонта изношенных бронзовых втулок подшипников скольжения, шестерен (осадка), различных полых деталей (раздача и обжатие), шеек валов под подшипники качения (накатка), для правки изогнутых и скрученных валов, штанг и труб. Задание. 1. Измерить бронзовую втулку подшипника до осадки. 2. Провести осадку втулки под прессом и замерить штангенциркулем, вычислить Δ h. 3. Измерить втулку перед раздачей (Д1 – наружный диаметр) 4. Провести раздачу под прессом, измерить наружный диаметр Д2, вычислить Δ Д. 5. Измерить втулку перед обжатием (d1 – внутренний диаметр) 6. Провести обжатие, замерить внутренний диаметр d2, вычислить Δ d. 7. Измерить шейку вала под подшипники качения dН1 (наружный диаметр) 8. Провести накатку, измерить наружный диаметр dН2 шейки вала. Вычислить Δ dН 9. Замерить отклонение от горизонтали изогнутой трубы Δ L. 10.Провести правку наклепом при помощи пневмомолотка. Лабораторная работа № 7. Ремонт деталей наплавкой металлов трением. Цель работы: изучить способ наплавки металлов трением, процессы наплавки металлов трением на внутреннюю, наружную и торцовую поверхности аксиальным и радиальным методом. Приборы и материалы: заготовки, инструмент для осуществления процесса трения, токарный станок для наплавки металла трением, штангенциркуль, втулки подшипников скольжения, втулки. Сущность процесса наплавки металлов трением, предложенного и разработанного Я. М. Кершенбаумом и Б. А. Авербухом, заключается в плавлении наносимого металла за счет теплоты трения и соединении его с деталью при повышенных температуре и давлении. Наносимый металл или сплав в гранулированном состоянии (в виде стружки) плавится в закрытом пространстве за счет трения о наплавляемую деталь или специальный инструмент. Трение обеспечивается вращением наплавляемой детали или инструмента относительно массы наносимого металла или сплава. Возможен ряд схем процесса наплавки трением (рисунок 6). Аксиальная схема предусматривает использование сжимающих усилий Р, параллельных оси вращения наплавляемой заготовки (см. рисунок 6, I, б, в) или инструмента (см. рисунок 6, I, а) для обеспечения давления на массу наплавляемого металла; эта схема рациональна для наплавки металла на боковые и торцовые поверхности деталей. Радиальная схема предусматривает использование усилий, нормальных к оси вращения и поверхности трения наплавляемой заготовки (см. рисунок 6, II, б) или инструмента (см. рис. 6, II, а). Эта схема может быть применена при наплавке металла на боковые цилиндрические поверхности деталей. Основным условием для обеспечения плавления наносимого металла или сплава по перечисленным схемам является изготовление наплавляемой заготовки или инструмента (с помощью которых осуществляется трение) из материалов с более высокой температурой плавления по сравнению с температурой плавления наносимого материала, т. е. Тпл (1, 2) »Тпл 3 Во избежание приплавления металла или сплава к рабочей поверхности инструмента или формообразующей детали приспособления их изготовляют из соответствующих материалов. 1). При наплавке металла на торцовую поверхность детали 1 (рисунок 6, I, в) во внутреннюю полость приспособления 5 помещают необходимое количество стружки 5, после чего в него вводят деталь 1. За счет продольного перемещения пуансона 2 наплавляемый металл предварительно уплотняется с образованием брикета соответствующей плотности. Рисунок 6 - Принципиальные схемы процесса наплавки трением на внутреннюю (а), наружную (б) и торцовую (в) поверхности: I - аксиальная; II - радиальная; 1 - деталь; 2 -инструмент; 3 - наплавляемый металл до наплавки;4 - наплавленный металл; 5 - приспособление Наплавка происходит при вращении детали 1 и одновременном продольном перемещении пуансона 2 для создания рабочего давления на поверхности трения детали. В результате интенсивного тепловыделения от трения брикет расплавляется и, находясь в закрытом пространстве приспособления, наплавляется на торцовую поверхность детали. По достижении инструментом 2 крайнего положения, соответствующего заданному размеру Н наносимого слоя металла, вращение детали прекращается и наплавленный металл 4 кристаллизуется на ее поверхности в условиях всестороннего сжатия, обеспечивающих получение металлического соединения высокой прочности и высокую плотность наплавленного металла. После окончания кристаллизации инструмент отводится в исходное положение, приспособление раскрывается и наплавленная деталь извлекается. 2). При наплавке металла или сплава на наружную поверхность цилиндрической детали 1 (см. рисунок 6, I, б) инструмент отсутствует, предварительное уплотнение стружки наносимого металла и создание рабочего давления на поверхность трения обеспечиваются продольным перемещением приспособления 5. Металл плавится трением торцовых и боковых поверхностей детали 1 о брикет, вытесняется из «копильника» 3 и располагается на боковой поверхности детали слоем заданной толщины, равной (D - d) / 2. В крайнем положении, соответствующем вытеснению всего металла из «копильника», вращение детали и продольное перемещение приспособления прекращаются, и расплавленный металл 4 кристаллизуется на поверхности слоем заданной длины Н. 3). При наплавке металла на внутреннюю боковую поверхность деталь 1 (см. рисунок 6, I, а) закрепляют в приспособлении 5, обеспечивающем создание закрытого пространства достаточных размеров для помещения стружки. Наплавка осуществляется вращением инструмента 2 и продольным перемещением приспособления. В крайнем верхнем положении приспособления весь расплавленный металл располагается на наплавляемой поверхности слоем определенного размера; затем инструмент, не прекращая его вращения, извлекают из приспособления. Основные технологические параметры процесса наплавки трением это окружная скорость v и давление р на поверхности трения. Величины этих параметров определяются физическими характеристиками основного и наплавляемого материалов, в особенности коэффициентом трения и температурой плавления наносимого материала, а также материала детали и инструмента. Проведенными в МИНХиГП им. И. М. Губкина исследованиями установлено, что при наплавке цветных сплавов (бронзы или латуни) на стальные и чугунные детали (табл. 2) оптимальные значения параметров режима наплавки находятся в пределах: относительная скорость на поверхности трения v = 2,5—6 м/с; давление р = 2—6 кгс/мм2. Продолжительность наплавки площади наплавляемой зависит поверхности, от параметров сечения заготовки, процесса, толщины наносимого слоя металла и его теплофизических характеристик. 4). Мощность (в кВт), необходимая для осуществления процесса, может быть подсчитана по эмпирической формуле: N=AD, где D - наибольший диаметр поверхности трения, мм; А - коэффициент, равный 0,4 - для наплавки цветных металлов и равный 0,6 - для наплавки черных металлов. Область оптимальных размеров наплавляемых деталей ограничивается: диаметром наплавляемой поверхности D = 30—80 мм; длиной Н = 30—100 мм. При этом рекомендуются соотношения (H / D) ≤ 2 - при наплавке на боковые поверхности (см. рисунок 6, I, а, б); (H / D) ≤ 1/2 - при наплавке на торцовые поверхности (см. рисунок 6, I, в). В процессе наплавки трением имеются: эффективное тепловыделение, создающее условия плавления наносимого металла и пластической деформации в прилегающем слое основного металла; при этом максимальная температура на поверхности трения не превышает температуры плавления наносимого металла; взаимная диффузия основного и наплавляемого металлов, способствующая образованию прочного соединения. Весь процесс наплавки трением, например на торцовую поверхность, можно разделить по продолжительности на четыре качественно отличных этапа . Первый этап (τ1) процесса характеризуется выведением системы из состояния покоя и началом взаимодействия поверхности трения детали с прилегающими элементами наплавляемой стружки. Относительная скорость, давление, коэффициент трения и температура на поверхности трения на данном этапе непостоянны. Механизм взаимодействия основного и наносимого металлов характеризуется явлением трения без смазки. Это приводит к интенсивной пластической деформации, наклепу и диспергированию отдельных участков контактной поверхности детали. Второй этап (τ2) осуществляется при постоянной скорости вращения детали в условиях сперва повышающегося, а затем постоянного давления на брикет наносимого сплава. На поверхности трения интенсифицируются явления пластической деформации, возникают и начинают лавинообразно развиваться явления схватывания между основным и наносимым металлами по всей контактной поверхности. Резко возрастают коэффициент и мощность трения, которые к концу этапа достигают максимума; положительный градиент температуры в зоне трения также самый большой. Третий этап (τ3) характеризуется падением коэффициента и мощности трения в связи с переходом к полужидкостному трению. В конце этапа наблюдается стабилизация температуры (которая достигает максимального значения), коэффициента и мощности трения. Постепенное увеличение локальных объемов расплавленной стружки приводит к образованию на всей поверхности трения сплошной переходной жидкостной прослойки. По мере дальнейшего увеличения объема расплавленного металла коэффициент трения снижается до минимального значения. Появление слоя жидкого сплава значительной величины создает условия, необходимые для образования сварного соединения между деталью и сплавом. Четвертый этап (τ4) протекает в условиях стационарного теплового и силового режимов и плавного снижения коэффициента и мощности трения. Он характеризуется дальнейшим увеличением доли литого сплава. Процесс заканчивается прекращением трения и кристаллизацией наплавляемого слоя в условиях высокого давления, обеспечивающего мелкозернистую структуру слоя. Установлено, что применение флюсов при наплавке цветных металлов с учетом значительных давлений и непродолжительного процесса нерационально. Отсутствие перегрева наплавляемого металла позволяет сохранить исходный химический состав и механические свойства в наплавленном слое. Для большинства исследованных металлов и сплавов характерно образование в контактной зоне переходной прослойки в несколько микрон, отличной по своим свойствам от соединенных металлов (рисунок 7). Эта прослойка является результатом взаимодействия компонентов соединенных металлов или сплавов, и ее состояние влияет на прочность соединения. Рисунок 7 - Микроструктура переходной зоны биметалла Ст.З - БрАЖ9-4, полученного наплавкой трением При мелкосерийном ремонте наплавку трением можно производить на приспособленном для этой цели универсальном оборудовании. На рис. 8 приведена схема установки УНТ-1 для наплавки металла трением, на базе токарного станка. На станине станка установлена специальная рама, состоящая из двух плит 1 и 11, двух тяг 4 и 9 и гидравлического цилиндра 10 на задней бабке станка. Рама обеспечивает восприятие осевых усилий упорными подшипниками 2 и 7 внутри статически замкнутой системы (плиты и тяги), разгружая подшипники шпинделя станка. Для закрепления наплавляемой детали и инструмента служат стандартные трехкулачковые патроны 3 и 6, а стационарное приспособление для наплавки торцовых поверхностей монтируется на плите суппорта 8. Вспомогательный электродвигатель 5 используется при вращении в противоположные стороны наплавляемой детали и инструмента для повышения скорости на поверхности трения. Необходимое давление на поверхности трения обеспечивается гидравлическим цилиндром 10 с приводом от гидравлической станции 12. Станок для наплавки деталей трением в условиях серийного производства (рисунок 9) состоит из сварной рамы с вертикальными колоннами 5, шпинделя 1 с электроприводом 2 и рабочего стола 4, передвигаемого по колоннам с помощью гидравлического цилиндра 5. Наплавляемую деталь закрепляют на столе станка винтовым зажимом, а инструмент устанавливают в шпинделе. Рабочее давление обеспечивается продольным перемещением стола с помощью гидравлического цилиндра, работающего от гидравлической станции 6. На станке можно проводить наплавку на внутреннюю, наружную и торцовую поверхности деталей. Для наплавки слоя металла на детали разных типоразмеров используются приспособления, с переходными вкладышами. Рисунок 8 - Схема модернизации токарного станка для наплавки металла трением Рисунок 9 - Общий вид установки для наплавки металлов и сплавов трением Технологический процесс ремонта изношенной или изготовления биметаллической детали наплавкой трением состоит из следующих этапов: 1) подготовка детали к наплавке; 2) подготовка наплавляемого металла или сплава; 3) предварительное уплотнение наплавляемого металла или сплава; 4) наплавка трением; 5) контроль качества наплавки; 6) окончательная механическая обработка наплавленной детали. Предварительная обработка детали сводится к приданию наплавляемой поверхности цилиндрической формы и обезжириванию. Шероховатость поверхности не выше третьего класса. Стружка, используемая для наплавки, должна быть очищена от примесей. Размеры элементов стружки 1-2 мм. Необходимое количество стружки легко определяется по заданным размерам наносимого слоя и помещается в рабочее пространство приспособления (либо непосредственно в заготовку), где она брикетируется. Установлено, что стабильность тепловыделения, максимальная производительность и высокое качество биметалла обеспечиваются при сохранении постоянными скорости и давления на поверхности трения в течение всей операции наплавки. На рисунке 6 показан график изменения основных параметров процесса наплавки трением. Важной особенностью кинетики процесса наплавки по сравнению с процессом сварки трением является исключение необходимости мгновенного торможения на заключительной стадии процесса, что значительно упрощает конструкцию оборудования. Рисунок 10. Втулки подшипника скольжения Примечание. Основа - сталь ст.З; наплавленный слой - латунь ЛМцС58-2-2 После наплавки деталь помещают в ящик с песком для медленного остывания. Качество соединения детали с наплавленным слоем и отсутствие макродефектов проверяются визуально и простукиванием детали медным молотком. Проводятся также выборочные механические испытания наплавленных деталей для определения прочности соединения основного металла с наплавленным. Необходимые размеры и качество поверхности в соответствии с рабочим чертежом получаются механической обработкой. Наплавка трением выгодно отличается от существующих методов наплавки полезным использованием теплового эффекта трения, отсутствием расплавления основного и перегрева наплавляемого металлов, отсутствием их перемешивания, образованием металлического соединения между твердым и жидким металлами в условиях всестороннего сжатия и возможностью эффективного использования отходов механической обработки. Преимущества процесса: стабильность химического состава и сохранение исходных механических свойств в наплавленном слое; получение надежного соединения основного и наплавленного металлов; возможность наплавки комбинированной шихтой для получения заданных свойств наплавленного слоя и высокая экономичность процесса. К недостаткам процесса относятся: невозможность нанесения металлов более тугоплавких, ем основной металл, ограниченные размеры наплавляемых поверхностей и необходимость изготовления специальных приспособлений или сменных вкладышей к ним для наплавки деталей каждого типа. Процесс наплавки трением целесообразно применять для ремонта изношенных и изготовления биметаллических деталей, а также для поверхностного упрочнения деталей. Особенно эффективен этот процесс для ремонта деталей типа втулок. На рисунке 10 показана втулка подшипника скольжения, отремонтированная наплавкой антифрикционного слоя латуни на внутреннюю поверхность стальной заготовки. Наплавка трением деталей класса втулок выполняется в специальном приспособлении (рисунок 10), состоящем из корпуса 2, который своим хвостовиком крепится в патроне задней бабки установки УНТ-1 (см. рисунок 8), крышки 7, вращающейся вокруг оси 3, и откидных болтов 6. Наплавляемую втулку 2 закрепляют в корпусе 2 приспособления. Во втулку помещают необходимое количество стружки наплавляемого металла или сплава. Приспособление может перемещаться в продольном направлении вместе с патроном. Пуансон 4 с переходником 5 крепится в патроне передней бабки установки УНТ-1. Рабочий диаметр d пуансона выбирается так, чтобы зазор между ним внутренней поверхностью наплавляемой втулки равнялся толщине наносимого слоя металла. В настоящее время большинство резьбовых и шпиндельных гаек, золотников и клапанов нефтяной арматуры, подвижных и антифрикционных колец центробежных насосов для перекачивания нефтепродуктов изготовляют из дефицитного цветного сплава (бронзы, латуни различных марок). А-А Рисунок 11- Приспособление для наплавки трением деталей класса втулки Рисунок 12 - Продольный разрез биметаллической гайки шпинделя нефтяной задвижки Рис. 13. Биметаллические детали нефтяного оборудования, изготовленные наплавкой трением: а - поршень б - золотник Большое количество стружки дефицитного металла, образующейся при изготовлении перечисленных деталей, поступает в отходы производства. Возможность полезного использования стружки цветных металлов при изготовлении биметаллических деталей способом наплавки трением делает его весьма перспективным. На рисунке 12 показана биметаллическая гайка шпинделя нефтяной задвижки, изготовленная наплавкой слоя латуни марки ЛМцС58-2-2 на внутреннюю поверхность стальной заготовки. Наплавка биметаллических заготовок! этих гаек производилась по схеме на рисунке 5. При этом, используя удобную конструкцию детали, наплавку проводили без приспособления; стальную заготовку закрепляли непосредственно в зажимное устройство станка. Для наплавки использовали 130 г латунной стружки. При изготовлении же цельнолатунной гайки норма расхода латуни составляет 1,5 кг/шт, а отходы в стружку - 0,63 кг/шт. При восстановлении изношенных поверхностей консольных цапф осей или валов наплавка производится по схеме на рис. 5. На рисунке 13 показаны биметаллические поршень (рисунок 13, а) гидравлического цилиндра бурового станка и золотник обратного клапана (рисунок 13, б), изготовленные наплавкой трением. Задание: 1. Провести наплавку на торцовую поверхность детали, измерить h1 – до и h2 – после, вычислить Δ h. 2. Провести наплавку металла (сплава) на наружную поверхность втулки. Измерить Д1 – до и Д2 – после, вычислить Δ Д. 3. Провести наплавку металла на внутреннюю боковую поверхность втулки, замерить d1вн – до и d2вн – после, вычислить Δd. 4. Провести наплавку металла радиальную а) на внутреннюю поверхность втулки, замерить d1вн – до и d2вн – после, вычислить Δd. б) на наружную поверхность вала; замерить ДН1 - до и ДН2 – после, вычислить ΔДН. 5. Рассчитать мощность, необходимую для осуществления процесса наплавки. Практическое занятие № 8. Изучение ремонта деталей пайкой. Цель работы: Изучить сущность ремонта пайкой, низко- и высокотемпературную пайку. Приборы и материалы: припои марок ПОС-30, ПОС-40, ПОС-50, ПОС61 – оловянисто-свинцовые припои для низкотемпературной пайки, температура плавления 220-2800С; для высокотемпературной пайки медноцинковые припои марок ПМЦ-36, ПМЦ-40, ПМЦ-54, температура плавления 800-9000С; Л-62, Л-68 – латунь; кислоты, щелочи, порошковые (жидкие) флюсы; газовые горелки, паяльные лампы, электропаяльники; деталь, имеющая трещины. Пайкой называется процесс образования неразъемного соединения нагретых поверхностей металла, находящихся в твердом состоянии, при помощи расплавленных сплавов (припоев), имеющих меньшую температуру плавления по сравнению с температурой плавления основного металла. Расплавленный припой заливается в зазор между соединяемыми поверхностями и прочно соединяет их после охлаждения. В качестве припоев используются металлы и сплавы, обладающие способностью хорошо смачивать соединяемые поверхности. Пайка делится на низкотемпературную, при которой нагрев в месте контакта соединяемых материалов и припоя не превышает 4500С, и высокотемпературную. Для низкотемпературной пайки широко применяются оловянисто-свинцовые припои марок ПОС-30, ПОС-40, ПОС-50, ПОС-61 и другие с температурой плавления 220-2800С. Эти припои используют для неответственных соединений, работающих при невысоких температурах. Предел прочности на растяжение таких соединений равен 2,8-3,2 кгс/мм2. Для высокотемпературной пайки в качестве припоев используют медь, серебро, никель и сплавы на их основе. Чаще других используются медноцинковые припои марок ПМЦ-36, ПМЦ-40, ПМЦ-54 с температурой плавления 800-9000С. Указанные припои позволяют получать швы с пределом прочности на растяжение 30-35 кгс/мм2. Для получения высокопрочных соединений деталей из чугуна, стали или меди, работающих при динамических нагрузках, в качестве припоя часто применяют латунь марки Л-62 или Л-68. Предел прочности этих соединений на растяжение составляет 30-32 кгс/мм2. Процесс пайки включает в себя подготовку соединяемых поверхностей, их прогрев до температуры, близкой к температуре плавления припоя, расплавление и нанесение жидкого припоя на соединяемые поверхности и заполнение им рабочего шва. Перед пайкой соединяемые поверхности необходимо тщательно очистить от загрязнений и окислов. Для этого применяют механическую обработку, обезжиривание в щелочах и травление в кислотах. Для защиты соединяемых поверхностей и удаления окислов, образующихся в процессе пайки, применяют порошковые или жидкие флюсы. При низкотемпературной пайки в качестве флюса применяют разбавленный раствор цинка в соляной кислоте. При высокотемпературной пайке применяют флюс, состоящий из 80% буры и 20% борной кислоты. После пайки остатки флюса удаляют промывкой в воде. Для расплавления припоя и нагрева соединяемых поверхностей используют газовые горелки, паяльные лампы, или токи высокой частоты (при высокотемпературной пайке) и электропаяльники (при низкотемпературной пайке). Пайку обычно применяют для ремонта деталей, имеющих механические повреждения, и чаще всего для устранения трещин. Задание: 1. Очистить деталь от загрязнений и окислов при помощи обезжиривания в щелочах и травления в кислотах; для удаления окислов применить флюсы. 2. Прогрев поверхности детали до температуры, близкой к температуре плавления припоя. 3. Расплавление и нанесение жидкого припоя на соединяемые поверхности газовой горелкой или паяльной лампой (при высокотемпературной пайке) и электропаяльником (при низкотемпературной пайке) и заполнение припоем рабочего шва. В практических занятиях рассматриваются следующие темы: 1.Расчет фундамента на статическую нагрузку. Определение основных размеров фундамента. 2. Расчет усилия привода. Расчет фундаментов на динамические нагрузки.3. Расчет инерционных усилий. 4. Определение величины заделки фундаментного болта. 5. Определение разрывных усилий. Расчет блоков и полиспастов. 6. Расчет лебедки. 7. Расчет транспортной операции. Тема№1.Расчет фундамента на статическую нагрузку. Определение основных размеров фундамента. 1.Удельная нагрузка на верхнюю плоскость фундамента. 2.Высота фундамента. 3. Высота подземной части фундамента. 4. Высота надземной части фундамента. 5.Площадь подошвы фундамента. 6.Давление у краев фундамента, ширина и длина фундамента. 7.Допустимое давление на грунт. Тема№2.Расчет усилия привода. Расчет фундаментов на динамические нагрузки. 1.Определение усилий на подшипники кривошипного вала машины. 2.Определение опорного и опрокидывающего момента. 3.Усилие на подшипники от привода. 4.Окружное усилие, передаваемое ремнем на шкив машины. 5.Зависимость между усилиями в ветвях передачи. Тема№3.Расчет инерционных усилий. 1.Ускорение деталей возвратно-поступательного движения кривошипношатунного механизма. 2.Сила инерции при изменении скорости и направления движения. 3.Сила инерции деталей вращения. 4.Максимальная горизонтальная сила инерции, максимальная вертикальная сила инерции. 5.Момент, опрокидывающий сооружение машина-фундамент. 6.Опорный момент сооружения. 7.Коэффициент устойчивости, дополнительное давление от момента. 8.Суммарное давление на грунт. Тема №4.Определение величины заделки фундаментного болта. 1.Выбор размера трубы. 2.Величина заделки фундаментного болта в бетон. 3.Внутренний диаметр резьбы болта и длина заделки в бетон. 4.Допустимые напряжения бетона на скалывание и смятие. 5.Допускаемая нагрузка на одну сваю. 6.Удельные сопротивления трения. Тема№5.Определение разрывных усилий. Расчет блоков и полиспастов. 1.Разрывное усилие троса. 2.Выбор коэффициента запаса прочности. 3.Усилие на одну нитку стропа. 4.Число нитей стропа. 5.Усилие на каждую нить. 6.Усилие от наклонных нитей стропа. 7.Расчетная нагрузка. 8.Зависимость между диаметром ролика и диаметром стропа. 9.Скорость подъема груза. 10.Усилие на ходовом конце троса. 11.Длина троса в системе полиспаста. Тема№6.Расчет лебедки. 1.Тяговое усилие на барабане ручной лебедки. 2. Тяговое усилие на барабане приводной лебедки. 3.Канатоемкость лебедки. 4.Число слоев навивки троса. 5.Требуемая канатоемкость. Тема№7.Расчет транспортной операции. 1.Сила тяги по мощности двигателя. 2.Сила тяги по сцеплению с поверхностью трассы. 3.Полное сопротивление движению. 4.Дополнительное сопротивление от максимального подъема на трассе. 5.Основное удельное сопротивление движению прицепов на колесном и гусеничном ходу. Задание к практическим занятиям 1. Ремонт валов и втулок металлизацией. 2. Ремонт бронзовых втулок и вкладышей подшипников меднением. 3. Хромирование шеек валов и штоков насосов. 4. Электролитическое осталивание втулок и валов под запрессовку. 5. Изучение ремонта деталей механической обработкой (способом ремонтных размеров) 6. Изучение ремонта втулок, валов, труб давлением. 7. Изучение ремонта втулок подшипников скольжения наплавкой металлов трением. 8. Изучение ремонта деталей пайкой. ЛИТЕРАТУРА 1.Авербух Б.А., Калашников Н.В., Кершенбаум Я.М. - М.:, ПротасовВ.Н. Ремонт и монтаж нефтепромыслового оборудования-М, Недра, 2000 2. В.В. Масловский, И.И. Капцов, И.В. Сокруто; под общ. ред. В.В.Масловского.- М.: Высш.школа, 2004. – 319с.:ил. 3. Кершенбаум Я.М., Юдолович М.Я Ремонт и монтаж нефтепромыслового оборудования - М.: Гостоптехиздат, 1999 Кафедра «Сервис» Черноброва В.К. МОНТАЖ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА Учебно-методическое пособие по практическим занятиям для студентов очного отделения специальности 100101«Сервис» Подписано в печать 04.04.11 Печать ротапринтная. Усл.п.л. 1,8, уч.-изд.л. 2. Тираж 40 экз. Издательство КМВИС (филиал ЮРГУЭС) 357500, г. Пятигорск, Ставропольский край, бульвар Гагарина,1 корпус 1.
