Износ инструмента при землеройных работах

Как известно, на долю отказов, вызванных износом деталей, приходится около 80% от общего числа поломок спецтехники. Особенно интенсивно абразивному изнашиванию подвергаются рабочие органы землеройных машин – наконечники рыхлителей, зубья ковшей экскаваторов и погрузчиков, резцы дорожных фрез и ножи грейдеров и бульдозеров. Защита от изнашивания и поиск новых материалов для рабочих органов с каждым годом приобретают всё большую актуальность.

Природа износа инструмента землеройных машин

Рабочие органы землеройных машин служат для отделения грунта от массива, смещения его к месту отвала или к месту погрузки в транспортное средство. Все работы, которые выполняют рабочие органы землеройных машин, можно разделить на 3 вида: подготовительные, основные, отделочные.

Подготовительные работы включают снятие поверхностного слоя грунта с помощью отвалов или инструментов ковшового типа. Основные работы заключаются в разработке карьеров, выемок, котлованов, траншей. Такие работы выполняются одно- и многоковшовыми экскаваторами и инструментами землеройно-транспортных машин, таких как бульдозеры, скреперы, грейдеры-элеваторы и т. д. К отделочным работам относят разного рода планировки насыпей, каналов, нарезку кюветов. Все планировочные операции выполняются рабочими органами автогрейдеров, одно- и многоковшовых планировщиков.

Промышленность выпускает достаточно много видов отвалов, ковшей и других рабочих органов дорожных машин, поскольку материалы и конструкции инструментов подбираются при эксплуатации в соответствии с физико-механическими свойствами пород и грунтов, с которыми приходится работать.

Основными минералами, определяющими свойства грунта, являются полевой шпат, слюда, кварц и другие. Кварц (SiO2), главный минерал в составе песков и суглинков, имеет твёрдость по Бринеллю 800-1200 кг/мм2, в то время как твёрдость металла, из которого изготовлены землеройные органы, во многих случаях не превышает 350-400 кг/мм2.

Естественно, учитывая такую разницу в твёрдости, зубья, передние стенки ковшей, ножи бульдозеров и автогрейдеров и другие детали рабочих органов подвергаются интенсивному изнашиванию. Скорость износа оценивается примерно в 5-400 мкм/ч. Для более наглядного представления скорости изнашивания заметим только, что толщина человеческого волоса, в среднем, составляет 40 мкм.

Основная масса землеройных машин использует при работе принцип резания грунта. Главная нагрузка на рабочие органы и машину в целом возникает в результате действия сил комплексного сопротивления копанию, причём основную часть силы копания составляет сила резания. Например, при работе бульдозера 60-85% силы копания приходится на силу резания, работающий экскаватор расходует вообще 74% от затраченных сил копания на силы резания.

Если рассмотреть процесс резания несколько подробнее, то он выглядит следующим образом: в первую очередь, возникает контакт и вдавливание клина рабочего инструмента в грунт. После внедрения твёрдосплавного клина в месте контакта образуется слой, называемый «ядро уплотнения». По мере нарастания усилия резания происходит скол крупного куска грунта. В этот момент ранее тяжело нагруженный клин резко освобождается от нагрузки, но тут же ударяется о следующий массив грунта. В результате, такой процесс можно охарактеризовать как чередование пиков ударной нагрузки с периодами статического нагружения. В процессе резания имеют место и удары инструмента с проскальзыванием, хотя этот процесс больше характерен при разработках кусковых пород.

Об износе ножей

Основным элементом бульдозерного оборудования является отвал. Самые востребованные – универсальные отвалы, в которых предусмотрено изменение поперечных и продольных углов установки, крепятся они шарнирно к П-образной толкающей раме. На втором месте по распространённости – скальные отвалы, они меньшей ширины и ёмкости, т. к. скальный грунт имеет большой удельный вес, однако эти отвалы отличаются усиленной конструкцией. Перед тем, как выбрать отвал, необходимо оценить прочность грунта в месте работ, тягово-сцепные и скоростные характеристики бульдозера. Чем более высокое значение отношения тягового усилия к длине ножа, тем более прочные грунты такому бульдозеру «по плечу».

В нижней части лобового листа отвала закреплён, как правило, съёмный составной нож толщиной 10 мм и более. Он состоит из средней части, разделённой на 2, или 3-х средних ножей, имеется также 2 коротких боковых ножа, расположенных по бокам от среднего ножа. Такая конструкция увеличивает ремонтопригодность и облегчает монтаж. Средние ножи – 2-сторонние. При износе острой кромки одной стороны для дальнейшей эксплуатации нож разворачивают на 180о. Боковые ножи односторонние, но для повышения износостойкости имеют большую толщину, чем средние.

Ножи землеройных машин всегда до определённой степени затуплены. Их форма и линейные размеры подвергаются абразивному воздействию грунтов и в процессе эксплуатации меняются, т. е. изнашиваются. Бульдозерные ножи изнашиваются по своей режущей кромке. Основными признаками износа являются глубокие царапины и вырывы различной глубины и расположения. Для бульдозеров характерна продолжительность использования комплекта ножей при разработке грунта 240-720 часов.

Ножи автогрейдеров, так же как и ножи бульдозеров, изнашиваются по всей режущей кромке, работая до окончательного износа, т. е. с двух сторон 80-400 часов. По толщине нож обычно изнашивается незначительно, поэтому изменение этого параметра практически не учитывается.

Такая широкая «вилка» в ресурсе ножей связана с абразивностью разрабатываемых грунтов. Долговечность работы ножей определяется по износу ширины. Изначально ширина ножа составляет около 45-55 мм, при угле резания 35о. «Площадка износа» такого ножа – около 17 мм, но, в связи с тем, что с увеличением площадки износа происходит резкий рост нагрузки, предельной величиной износа для ножей автогрейдеров принято считать 10-12 мм.

Относительно короткий период использования рабочего органа напрямую связан с огромным увеличением силы резания при работе изношенными ножами. При продвижении в грунте, кроме сопротивления от движения своей передней части, изношенный нож преодолевает сопротивление площадки износа, имеющей небольшой отрицательный угол относительно основной траектории резания.

Ещё одним видом износа ножа режущего инструмента является затупление, также существенно повышающее сопротивление грунта. Профиль затупления ножа выглядит в плане как кривая, сопрягающаяся с контуром граней. Чётко выраженного перехода между режущей поверхностью и гранями ножа нет.

Процесс резания затупленным инструментом характерен образованием на тупой поверхности грунтового нароста, который увеличивает тело ножа и, так же как и основной нож, участвует в резании грунта. Естественно, такое утолщение значительно повышает силу резания.

Надо отметить, что износ ножей не равномерен. Вблизи режущей кромки нож контактирует своей поверхностью с частицами грунта, которые ещё являются частью грунтового массива. Они действуют на нож как резцы, интенсивно изнашивая его кромку. По мере удаления от режущей кромки увеличиваются деформации и напряжения в грунте, частицы грунта становятся подвижными, теряя структурные связи между собой. Их перемещение по поверхности резца можно определить как перекатывание, что, конечно, уменьшает абразивное воздействие на плоскость резца, однако давление на грунт возрастает.

На интенсивность износа рабочих органов дорожно-строительных машин, безусловно, огромное влияние оказывают физико-механические свойства разрабатываемого грунта. Имеют значение и его сцепление, внутреннее и внешнее трение, различным видам грунтов соответствует различный показатель удельного сопротивления резанью.

Ремонт наплавкой

Наиболее распространённый и эффективный метод ремонта рабочих органов – это наплавка изношенных мест износостойкими сплавами.

Бульдозерные ножи при техническом обслуживании осматривают, отмечают краской все дефекты, которые необходимо устранить, при необходимости демонтируют и рихтуют под прессом, т. к. при средней длине ножа 2,5-3,5 м допускается не плоскостность не выше 3 мм на 1 м длины ножа, а погнутости и вмятины не допускаются. Ножи наплавляют ручной сваркой в местах наибольшего износа. Новые ножи также наплавляют в профилактических целях.

Для того чтобы не происходило коробления, нож закрепляется в спецприспособлении и наплавляется участками, переворачивая, поочерёдно с одной и другой стороны. Толщина наплавочного слоя – 3-5 мм, а ширина полосы – 60 мм.

Перед наплавкой деталь очищают от грязи, масла, ржавчины и т. д., затем зачищают до чистого металла шлифмашинкой, либо же вручную, стальной щёткой. Если обнаруживаются трещины и изломы, деталь бракуется окончательно.

При ремонте зубьев экскаваторов их могут наплавить прямо на ковше либо, демонтировав ковш, в условиях стационарного наплавочного участка. В последнем случае ковш помещают на специальный стенд, а зубья, как восстанавливаемые, так и новые, устанавливаемые взамен выбракованных, – в специальные кондукторы, которые обеспечивают горизонтальное положение наплавляемых плоскостей.

Перед наплавкой ремонтируемую деталь очищают от грязи, масла, ржавчины и т. д., затем зачищают до чистого металла шлифмашинкой, либо же вручную, стальной щёткой. Если обнаруживаются трещины и изломы – деталь бракуется окончательно.

На основании анализа нагрузок, вызывающих повышенный износ зубьев, определяют форму наплавки зубьев. При незначительных динамических нагрузках наплавляют только верхнюю грань зуба. Если же ожидается, что зубья будут работать в условиях высокой динамической нагрузки, то осуществляют т. н. корончатую наплавку.

Сами ковши также наплавляют, как и зубья, либо непосредственно на машине, либо на наплавочном участке. С помощью наплавки укрепляют межзубьевые участки и боковые закругления передней стенки. В случае необходимости наплавляют и иные участки. Причем, если изнашивание наблюдается сильное, то ковш наплавляют сплошным швом, а если незначительное – применяют т. н. сетчатую наплавку, при которой наплавка происходит участками, а расстояние между участками наплавки равно 1-2 ширинам наплавленного участка. Форма наплавки в этом случае – корончатая. Толщина наплавленного слоя составляет 4-5 мм, а ширина полоски в малых ковшах с объёмом менее 0,35 м3 – примерно 40 мм, а в ковшах с объёмом свыше 0,65 м3 – до 160 мм.

Полукруглые режущие кромки экскаваторных ковшей упрочняют с профилактической целью продольными полосками наплавки с двух сторон. Наплавка может наноситься на всю ширину кромки, толщиной 2-2,5 мм (однослойная наплавка), либо толщиной 4-5 мм (двухслойная) на среднюю часть нескошенной поверхности зубьев.

Материал режущих элементов – действительность и перспективы

В качестве основного материала для ножей используются «марганцевые» инструментальные стали. Их свойства наилучшим образом удовлетворяют требованиям, которые ставятся производителями ножей. Они имеют высокую износоустойчивость, упругость.

На отечественном рынке для производства ножей в основном используется сталь 65Г, 3ХГТ, Ст. 35 и специальная ножевая полоса Ст36Г2СР/СФ. По ГОСТ допускается использование для производства ножей также стали Ст5пс(сп), но от её использования производители практически отказались. Были попытки использовать ножи из этой стали с наплавленной рабочей поверхностью, но распространения этот опыт не получил.

Рабочая поверхность, т. е. износостойкий слой ножа, подвергается наплавке порошком специального состава из сложных (комплексных) карбидов железа – марганца. Твёрдость слоя наплавки в 1,5-2 раза выше твёрдости кварца, и составляет 1200-1600 кг/мм2. Такие параметры твёрдости оптимальны для данных материалов, т. к. более высокая твёрдость увеличивает хрупкость материала, способствует появлению микротрещин и сколов. Наплавка поверхностного слоя сегодня является необходимостью там, где техника работает в особо тяжёлых условиях, но при менее интенсивных нагрузках производятся и используются ножи и без наплавленного слоя.

Если говорить об отечественной спецтехнике, то челябинские машины первоначально идут с «родными» ножами и по мере износа комплектуются как ножами ЧТЗ, так и других производителей. Менять их приходится, при использовании на дорожно-строительных работах, в среднем один раз в год. Чебоксарские бульдозеры комплектуются ножами от завода-изготовителя, их ресурс примерно такой же, как и у ножей других отечественных производителей.

Надо отметить, что отечественные стали не стабильны в своём качестве. Кроме того, сами свойства наиболее распространённой стали для ножей, 65Г, существенно меняются при температурах 0-20 оС, делая её хрупкой. Российские производители ножей не всегда используют имеющиеся сегодня новейшие технологические подходы, современное оборудование. Всё это отражается на низком эксплуатационном ресурсе наших ножей.

Для российских дорожных машин наиболее удачным выбором являются ножи ОАО «Чебоксарский агрегатный завод». Выпускаемая номенклатура ножей устанавливается не только на технику ОАО «Промтрактор», но и на машины ЧТЗ. Благодаря контракту с компанией British Steel, поставляющей на ЧAЗ сталь, продукция этого предприятия считается наиболее качественной в России. Достаточно отметить, что их ресурс, реально подтверждаемый эксплуатационными данными, в 3 раза превосходит ресурс ножей других отечественных производителей, выпускающих ножи из российских сталей.

Для импортной техники ножи на все типы отвалов производит хорошо известная в России итальянская компания Bercо. Её продукция отличается высоким качеством и вполне конкурентной ценой.

Лидеры в производстве спецтехники, компании Komatsu, Liebherr, Caterpillar и другие, используют ножи из легированных сталей. Вводя в состав сталей такие элементы, как никель или бор, производители добиваются того, что ножи приобретают ударную устойчивость, высокую износостойкость.

Высокопрочную износостойкую сталь Hardox, использующуюся в т. ч. и для производства ножей, выпускает шведская компания SSAB Oxelosund, входящая в группу SSAB. Она является мировым лидером в области производства закалённых и отпущенных сталей. На мировой рынок компанией поставляются такие известные марки листовой стали, как Hardox и Weldox.

Hardox – это серия сверхтвёрдых сталей. В настоящее время выпускаются марки Hardox 400, 450, 500 и 600. Цифры в марке соответствуют твёрдости данной стали по Бринеллю. Использование при производстве стали Hardox чистых исходных материалов и незначительное количество примесей, попадающих в сталь при получении готового проката, определяют высокую твёрдость стали с высокой ударной вязкостью, в т. ч. при низких температурах.

Особенно ценно то, что листы стали Hardox отличаются узкими допусками по толщине и одинаковыми механическими свойствами по всей плоскости листа, в частности одинаково тверды как на поверхности, так и в любой точке листа. Это обеспечивается закалкой в воде, при которой листы за несколько секунд охлаждаются с температуры 900С до комнатной температуры. Принятая технология позволяет достичь высокой твёрдости при минимуме содержания легирующих элементов в стали. Это позволяет листы из Hardox легко подвергать мехобработке, изгибать, варить.

При изготовлении ковша из сталей Hardox 400 и Hardox 500 срок службы ковша увеличивается в 3 раза по сравнению с ковшом, изготовленным из обычной стали с твёрдостью 160 НВ. В настоящее время некоторые производители используют для изготовления корпуса ковша сталь Weldox1100, а для изготовления передних и боковых кромок – сталь Hardox 600, что ещё больше увеличивает срок службы. Использование ножей из стали Hardox показывает, что их срок использования примерно в 5 раз выше, по сравнению с ножами из обычной высокопрочной стали.

Фирма Sandvik Hard Materials разработала революционный износостойкий материал – Sancic, армированный твёрдым сплавом чугун. Материал сочетает в себе износостойкость твёрдого сплава, ударную прочность, вязкость и технологичность высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Sancic используется сегодня для изготовления различных ответственных деталей, работающих при ударных нагрузках, в условиях абразивного или эрозионного износа, и превосходит по стойкости износостойкие стали или наплавку.

Качество инструмента прямым образом отражается на производительности. Пренебрежение к поддержанию режущей части машин в оптимальном состоянии, которое в нашей практике встречается часто, является следствием недооценки влияния изнашивания на сопротивление грунтов и слабое знание факторов, действующих при его износе. Например, на практике, восстановление зубьев экскаваторных ковшей производится большей частью лишь после их поломки, потери или когда они изнашиваются настолько, что становится невозможной работа экскаватора. С другой стороны, снижение энергоёмкости резания за счёт совершенствования рабочих органов – задача вполне реальная, и наша научная база вполне позволяет решать проблему «своими силами».

Николай Днепров