книги / Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин

УДК 669.14.018.298.41

П о п о в К* В., канд. техн. наук, С а в и ц к и й В. Г., канд.физ.-мат. наук. Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин. М., «Машиностроение». 1969.

На основе изучения опыта эксплуата­ ции машин на Севере освещена проблема хладостойкости машин, дан ее экономиче­ ский анализ. Рассмотрены причины хруп­ ких разрушений деталей при низких тем­ пературах, основы физической теории хрупкого разрушения стали, пути повы­ шения работоспособности машин, пред­ назначенных для использования в усло­ виях Севера.

Книга предназначена для инжене- ров-конструкторов, технологов и других специалистов, связанных с проектирова­ нием, изготовлением, эксплуатацией и ремонтом машин, используемых при низ­ ких температурах. Рис. 105, табл. 18, библ. 284 назв.

Рецензент канд. техн. наук В. Н. Геминов

Редактор Ю. Н. Канин

3 - 1 - 4

ПРЕДИСЛОВИЕ

В связи с освоением и разработкой богатых энергетиче­ ских и сырьевых ресурсов Сибири и Крайнего Севера важной задачей является создание техники, приспособ­ ленной к работе в условиях низких температур.

Недостаточность имеющихся рекомендаций по выбору материалов для конструкций северного исполнения, отсут­ ствие методов всестороннего инженерного расчета деталей и узлов машин, эксплуатируемых при низких темпера­ турах, приводит иногда к тому, что новые образцы техники, рассчитанные на повышенную производительность, ока­ зываются малопригодными к работе в суровых климати­ ческих условиях.

Проблеме хладостойкости конструкций и конструк­ ционных материалов посвящено большое число исследова­ ний, однако есть еще много нерешенных вопросов, затруд­ няющих создание научных основ проектирования и изго­ товления техники северного исполнения.

В настоящей книге рассмотрены некоторые вопросы проблемы хладостойкости на основе имеющихся литера­ турных сведений и исследований, проведенных авторами. При анализе работы оборудования использованы данные Норильского горнометаллургического комбината, трестов «Лензолото» и «Черемховуголь» и других предприятий Си­ бири и Крайнего Севера. Руководству этих предприятий авторы выражают глубокую благодарность за предостав­ ление соответствующей информации и помощь в ее обра­ ботке и анализе.

1*

Гпава 1

ПРОБЛЕМА ХЛАДНОЛОМКОСТИ МАШИН

ВНАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ СИБИРИ

ИКРАЙНЕГО СЕВЕРА

Исследованиями установлено,' что в горной промыш­ ленности отдаленных и малонаселенных районов СевероВостока СССР применение новейшей техники дает боль­ ший экономический эффект, чем на аналогичных пред­ приятиях средней полосы и юга европейской части страны [93]. В то же время использование в этих районах тех­ ники, рассчитанной на работу в умеренном климате, при­ водит к очень большим потерям.

С понижением температуры резко уменьшается эффек­ тивность использования автомобилей, причем основной причиной этого являются хрупкие разрушения деталей и узлов машин [14, 100]. Анализ по 12 автохозяйствам арктической зоны показал, что срок службы обычного автомобиля сокращается здесь на 50%, а аварии и поломки, связанные с климатическими условиями, вы­ водят из строя до 26% парка машин [14]. По предва­ рительному подсчету из-за применения в суровых кли­ матических условиях стандартной техники общего испол­ нения убытки составляют не менее 150 млн. руб. в год. По данным других исследователей эти потери еще боль­ ше [53].

На рудниках Норильского горнометаллургического комбината в зимйий период оборудование простаивало в основном из-за Аварий и неполадок, связанных с несоот­ ветствием служебных свойств машин климатическим усло­ виям, а также из-за внеплановых ремонтов по ликвидации последствий аварий [101 ]. Из рис. 1 видно, что у крупных горных экскаваторов балки рукояти ковша в декабре ломались в 4 раза больше, чем в июле (по данным за 1955—1961 гг.).

4

Между числом поломок и среднемесячной температурой наблюдается определенная зависимость. Максимум поло­ мок не совпадает с температурным минимумом, что объяс­ няется наличием в самом суровом месяце (феврале) сравни-

тельно большого количества дней с температурой ниже —40° С, когда значительная часть экскаваторов не эксг плуатировалась. Наибольшее число поломок в Норильске и Черемхово происходило при среднесуточных темпе­ ратурах от —15 до —25°С (рис. 2).

Из показанной на рис. 3 зависимости видно, что чи­ сло поломок крупных де­ талей экскаваторов в сутки резко возрастает с пони­ жением температуры от

5

разрушения какой-либо конструкции. Изучение поломок машин, работающих в зонах с различными климатиче­ скими условиями, показало, что характерные разрушения наблюдаются при любых температурах эксплуатации. Понижение температуры является сильнодействующим фактором, котопый способствует проявлению имеющейся у'конструкции склонности к хрупким разрушениям, зало­

заключить, что температура окружающего воздуха яв­ ляется основным фактором, определяющим частоту хруп­ ких разрушений.

Для многих конструкций, в которых имеются детали большого сечения, температура металла в каждый данный момент может заметно отличаться от температуры окру­ жающего воздуха. На хладостойкости таких конструкций определенным образом сказываются устойчивость темпера­ турного режима и величина градиентов температуры во времени в различных температурных интервалах. До на­ стоящего времени степень влияния каждой из этих харак­ теристик не установлена. Результаты проведенных рас­ следований аварийных разрушений деталей машин и строи­ тельных конструкций позволили выявить некоторые данные, характеризующие влияние особенностей темпера­ турного режима на склонность конструкций к низкотем­ пературным хрупким поломкам. Так, например, наиболее благоприятной ситуацией для возникновения хрупкого разрушения является быстрое похолодание, когда темпе­ ратура понижается со скоростью более 1 град/ч.

По наблюдениям механиков горных предприятий Се­ вера для экскаваторов опасным, является период пуска машин в работу после остановки на время действия силь­ ных морозов.

Это дает основание предполагать, что наличие темпе­ ратурного градиента во времени способствует проявлению склонности конструкции к низкотемпературному разру­ шению. Вероятным механизмом такого влияния является возникновение перепадов температуры по сечению наибо­ лее массивных элементов конструкции и соответствующих термических напряжений. По-видимому, при одних и тех же значениях минимальных температур и при одина-

6

новой суммарной продолжительности низкотемпературных периодов наиболее опасен такой режим, когда часто сме­ няются периоды низких температур и относительного по­ тепления.

Скорость и порывистость ветра также могут способ­ ствовать проявлению склонности конструкций к хладно­ ломкости. Сильный порывистый ветер создает в некоторых конструкциях динамические напряжения. Кроме того, в периоды изменения температуры воздуха ветер усили­ вает направленный теплоподвод, ввиду чего в конструк­ ции увеличиваются перепады температур. В некоторых конструкциях, например в башенных кранах, ветровая нагрузка может привести к развитию явлений усталости, которые повышают критическую температуру перехода стали в хрупкое состояние.

Изучение связи между частотой поломок и особенно­ стями климата с целью разработки научных основ инже­ нерно-географического районирования северных и восточ­ ных частей страны является важной технико-экономиче­ ской и народнохозяйственной задачей. Практическим результатом районирования будет определение границ территории, для работы на которой массовая техника должна поставляться в северном исполнении.

Одна из попыток разработать критерий оценки климата с точки зрения его влияния на работоспособность машин сделана в работе [100]. В ней предлагается считать опас­ ной для техники температуру ниже —30° С без ветра или несколько выше —30° С с ветром. В последнем случае принимается распространенное в климатологии определе­ ние, согласно которому каждый метр в секунду скорости ветра более 7 м/сек эквивалентен снижению температуры на 2° С. Исходя из этих условий предложено оценивать кли­ мат по отношению числа дней с неблагоприятной погодой к их календарному количеству за рассматриваемый период.

Такой метод учета особенностей климата при оценке степени его неблагоприятности для работы техники имеет существенные недостатки. В частности, при этом не при­ нимается во внимание, что для металлических конструк­ ций, которые не являются генераторами тепла, ветер как фактор, усиливающий теплоотвод, может иметь значение только в периоды изменения температуры.

Наиболее рациональным в настоящее время представ­ ляется инженерно-географическое районирование СССР,

7

РАЗРУШЕНИЯ ЭКСКАВАТОРОВ

На работе экскаваторов климатические условия ска­ зываются весьма существенно. Например, около 90% по­ ломок экскаваторов Э-153, работающих в районе Красно­ ярска, приходится на зимний период эксплуатации [79].

Проведенное авторами на предприятиях Восточной Си­ бири обследование поломок экскаваторов с емкостью ковша от 3 м3 и выше показало, что среди крупных деталей этих

Оней части 224x224 мм) экска­

ванных осей, поковки не проходили термической обработки. На рис. 5 (кривая 1) приведена температурная зависимость ударной вязкости стали для одной из сломавшихся осей.

После опытной термической обработки по режиму улучшения (кривая 2) ударная вязкость не опускалась ниже 10 кГм1см2 даже при —60° С.

При обследовании аварийности экскаваторов в зимний период на предприятиях треста «Черемховуголь» выявлены случаи повторных поломок натяжных осей экскаваторов СЭ-3 после ремонта. Восстанавливали их, приваривая пло­ ские накладки. Такое соединение оказалось ненадежным.

10