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提高混凝土泵眼镜板使用寿命的研究

信息来源:hunningtu.biz  时间:2008-11-26  浏览次数:128

  眼镜板(见图1所示)是混凝土泵的一个重要零件,其体积虽不大,但技术含量和加工成本都很高。目前眼镜板的寿命约为泵送3万m3左右混凝土,为提高泵车的使用效率,采取相应的措施提高其寿命非常关键。
  1、眼镜板工作特点
  眼镜板是S形泵送分配阀的零件,与混凝土输送缸相连通,运动部件S管在摆动油缸的驱动下,从一边混凝土缸口摆动到另一边混凝土缸口上,切割环随S管贴着眼镜板摆动,与眼镜板组成了切换摩擦副。由于切割环的快速摆动使眼镜板与预拌混凝土产生强烈磨损,同时还要承受切断石子时产生的冲击力。由此可知,眼镜板主要在常温下工作,承受冲击力、剪切力及十分强烈的摩擦。
  眼镜板的主要失效形式是磨损、碎裂崩块失效。眼镜板和切割环之间的磨损属于磨粒磨损,首先表现为切割环及眼镜板孔口棱角磨钝,并形成较小的圆弧面楔形口,随着参与磨损的磨料粒径的增大,磨损间隙也随之增大,当间隙大到一定值时会因严重漏浆而影响施工。而随着泵送高度的增加,眼镜板的冲击剪切会增大,磨损更剧烈,且容易发生碎裂崩块。
  由以上分析可以得出眼镜板的表面既要有高的硬度和耐磨性,又要有一定的韧性和高的抗断裂能力。
  2、目前常用的材料分析
  (1)高铬合金铸铁。
  高铬合金铸铁主要用于焊接结构。见图1a所示,这是目前普遍采用的形式。合金铸铁的平均硬度为HRC62左右,具有很高的抗磨损能力,加工工艺性好、生产成本低,但由于高铬合金铸铁的导热性低、塑性差和收缩量高,铸造过程中易发生开裂,必须采取措施加以克服。采用焊接结构时,通常采用工作端面堆焊耐磨材料,即在基体Q235A钢或16Mn钢的工作端面堆焊5mm厚的高铬合金铸铁,在焊接过程中因为堆焊层内应力而容易出现微观裂纹,在使用过程中耐磨层会出现崩裂的现象,严重影响眼镜板的使用寿命。
  (2)碳化钨。
  碳化钨材料主要用于焊接结构,该种材料硬度为HRC65左右,是自然界中硬度仅次于金刚石的材料,耐磨性优于高铬合金铸铁,但由于其工艺极其复杂,成本较高,使用过程中也会由于焊接缺陷而出现耐磨层崩裂的现象,故使用较少。
  (3)硬质合金。
  硬质合金的硬度在HRC70以上,耐磨性很好,但抗弯强度与韧性差,且不适合进行机械加工,所以常用的结构是将硬质合金薄片用粘、焊接等方法镶嵌在普通钢板上,使眼镜板在具有优良韧性的同时又有高耐磨性,如处理得牢固、可靠,使用寿命可达3万m3以上。但目前这种加工工艺仍有需要完善的地方,零件质量的稳定性难以保证,同时硬质合金价格很高,也影响了这种材料的使用。
  3、提高眼镜板使用寿命的措施
  提高眼镜板的使用寿命,需要从材料、结构、工艺等多方面入手,进行综合考虑,才能满足其在使用性、工艺性、经济性上的要求。
  3.1材料的选用
  眼镜板的表面既要有高的硬度、耐磨性,又要有一定的韧性和高的抗断裂能力。工具钢冷、热加工的工艺性能良好,适合整体结构或组合结构,生产过程简单、成品率高、成本低。虽然目前由于表面硬度及耐磨性与其它材料相比较低,使用时工作寿命较短,因而应用较少,但如果能增大其表面硬度及耐磨性,满足使用性能要求,应该是最有前途的眼镜板材料。工具钢种类很多,研究中选择了基本钢的一种——LM1钢(65W8Cr4VTi钢),其化学成分内表1。这种钢属于中碳钢,机加工性能好,合金元素的质量分数超过10%,属于高合金钢,具有高强度、高淬透性及耐磨性的特点。同时这种钢热胀系数小、导热性好、锻造性好,没有聚集网状分布的共晶碳化物,所以不会由于碳化物分布不均匀而造成热处理变形、开裂等缺陷。与Cr12MoV钢相比,由于降低了Cr的含量,增加了W、V、Ti的含量,细化了晶粒,碳化物分布均匀,硬度更高,抗压强度约高30%,抗弯强度高1倍,冲击韧度高2倍。Cr元素的存在又使这种钢有很好的抗蚀性,可有效防止工作介质对眼镜板的腐蚀。
  3.2结构形式
  一般说来组合式结构(如图1a所示)的优点一是可避免应力集中,提高工作寿命;二是减少贵金属的消耗,降低材料成本。但其生产周期较长、工艺复杂,同时在焊接过程中容易产生焊接缺陷而严重影响眼镜板的使用寿命。整体式结构(如图1b所示)精度高、工艺简单、加工周期短、费用低,同时还可避免焊接缺陷带来的影响。通过以上分析,考虑到眼镜板工作中不存在明显的应力集中的情况,所以采用了整体式结构。
  3.3硬化处理工艺
  眼镜板加工工艺流程为:下料→锻造→球化→退火→粗加工→真空热处理→精加工→表面强化处理。为提高其表面硬度及耐磨性,采取了真空热处理及表面强化处理作为硬化处理工艺。
  (1)真空热处理。
  在ZC-65双室真空淬火炉中进行,热处理工艺如图2所示。工件进入真空炉后,在真空压力达到102/1torr时开始加热。为防止合金元素挥发,适当充入高纯度氮气,真空压力保持在10/1torr左右。保温结束后,工件进入通有氮气、真空压力为550-580torr,并用风扇使气体循环的冷却室进行气淬(氮气纯度为99.995%-99.998%)。淬火温度为1160℃,回火温度为550℃,这是由于基体钢硬度硬度靠基体中过饱和元素在回火中弥散析出(二次硬化)来提高,所以必须高淬高回。
  经真空热处理后的工件晶粒度为7-8级,表面光洁、硬度均匀、变形小,机械性能如表2所示。
  (2)表面强化处理。
  表面强化处理的方式很多,选择了氮离子注入工艺。离子注入可提高金属材料表面的硬度、耐磨性、耐疲劳性和耐腐蚀性能,其注入系统为:离子源→加速管→磁分析器→靶室。将高纯度氮气引入注入机的离子源中,电离为氮离子,再经高压电场加速形成高速离子束流,对装在靶室中的工件进行轰击,注入到工件表面,使氮离子与其它元素的原子形成强固结合,或将其表面位错钉扎在一起,形成所谓“位错网络”,从而引起材料表面的硬化作用。同时,离子质量较大,注入时的轰击作用与喷丸相似,也可使表面产生硬化作用。离子注入工艺参数能量为E=100keV,注入剂量D=5×1017N+/cm2。由于离子注入是在较高的真空度和低温下进行的,因此工件在离子注入后表面仍十分光洁,且无变形。离子注入的另一个优点是在磨损过程中,注入元素的原子不断向磨损深度方向迁移,即在眼镜板工作过程中,因摩擦热而升高温度以及由于接触摩擦应力的作用,可导致注入的氮原子向内扩散迁移,在晶粒边界上重又形成强固的原子间结合,相当于耐磨层随着磨损过程不断下移,从而可提高其耐磨性。对于眼镜板而言,一般表面强化的方法在使用过程中如果表面硬化层脱落,工件的磨损就会加剧,混凝土泵的泵送量会逐渐降低,而采用离子注入的方法,可有效地解决这个问题,提高眼镜板寿命。
  4、结论
  在采取以上措施对眼镜板制作工艺进行改进后,进行了比较经验,数据如图3所示,由试验数据可以看出,选用新材料、新工艺制作眼镜板,使用寿命可大幅提高。
  (来源:中国工程机械银网)
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  ③ 如本网转载稿涉及版权等问题,请作者在两周内尽快来电或来函联系。  眼镜板(见图1所示)是混凝土泵的一个重要零件,其体积虽不大,但技术含量和加工成本都很高。目前眼镜板的寿命约为泵送3万m3左右混凝土,为提高泵车的使用效率,采取相应的措施提高其寿命非常关键。
  1、眼镜板工作特点
  眼镜板是S形泵送分配阀的零件,与混凝土输送缸相连通,运动部件S管在摆动油缸的驱动下,从一边混凝土缸口摆动到另一边混凝土缸口上,切割环随S管贴着眼镜板摆动,与眼镜板组成了切换摩擦副。由于切割环的快速摆动使眼镜板与预拌混凝土产生强烈磨损,同时还要承受切断石子时产生的冲击力。由此可知,眼镜板主要在常温下工作,承受冲击力、剪切力及十分强烈的摩擦。
  眼镜板的主要失效形式是磨损、碎裂崩块失效。眼镜板和切割环之间的磨损属于磨粒磨损,首先表现为切割环及眼镜板孔口棱角磨钝,并形成较小的圆弧面楔形口,随着参与磨损的磨料粒径的增大,磨损间隙也随之增大,当间隙大到一定值时会因严重漏浆而影响施工。而随着泵送高度的增加,眼镜板的冲击剪切会增大,磨损更剧烈,且容易发生碎裂崩块。
  由以上分析可以得出眼镜板的表面既要有高的硬度和耐磨性,又要有一定的韧性和高的抗断裂能力。
  2、目前常用的材料分析
  (1)高铬合金铸铁。
  高铬合金铸铁主要用于焊接结构。见图1a所示,这是目前普遍采用的形式。合金铸铁的平均硬度为HRC62左右,具有很高的抗磨损能力,加工工艺性好、生产成本低,但由于高铬合金铸铁的导热性低、塑性差和收缩量高,铸造过程中易发生开裂,必须采取措施加以克服。采用焊接结构时,通常采用工作端面堆焊耐磨材料,即在基体Q235A钢或16Mn钢的工作端面堆焊5mm厚的高铬合金铸铁,在焊接过程中因为堆焊层内应力而容易出现微观裂纹,在使用过程中耐磨层会出现崩裂的现象,严重影响眼镜板的使用寿命。
  (2)碳化钨。
  碳化钨材料主要用于焊接结构,该种材料硬度为HRC65左右,是自然界中硬度仅次于金刚石的材料,耐磨性优于高铬合金铸铁,但由于其工艺极其复杂,成本较高,使用过程中也会由于焊接缺陷而出现耐磨层崩裂的现象,故使用较少。
  (3)硬质合金。
  硬质合金的硬度在HRC70以上,耐磨性很好,但抗弯强度与韧性差,且不适合进行机械加工,所以常用的结构是将硬质合金薄片用粘、焊接等方法镶嵌在普通钢板上,使眼镜板在具有优良韧性的同时又有高耐磨性,如处理得牢固、可靠,使用寿命可达3万m3以上。但目前这种加工工艺仍有需要完善的地方,零件质量的稳定性难以保证,同时硬质合金价格很高,也影响了这种材料的使用。
  3、提高眼镜板使用寿命的措施
  提高眼镜板的使用寿命,需要从材料、结构、工艺等多方面入手,进行综合考虑,才能满足其在使用性、工艺性、经济性上的要求。
  3.1材料的选用
  眼镜板的表面既要有高的硬度、耐磨性,又要有一定的韧性和高的抗断裂能力。工具钢冷、热加工的工艺性能良好,适合整体结构或组合结构,生产过程简单、成品率高、成本低。虽然目前由于表面硬度及耐磨性与其它材料相比较低,使用时工作寿命较短,因而应用较少,但如果能增大其表面硬度及耐磨性,满足使用性能要求,应该是最有前途的眼镜板材料。工具钢种类很多,研究中选择了基本钢的一种——LM1钢(65W8Cr4VTi钢),其化学成分内表1。这种钢属于中碳钢,机加工性能好,合金元素的质量分数超过10%,属于高合金钢,具有高强度、高淬透性及耐磨性的特点。同时这种钢热胀系数小、导热性好、锻造性好,没有聚集网状分布的共晶碳化物,所以不会由于碳化物分布不均匀而造成热处理变形、开裂等缺陷。与Cr12MoV钢相比,由于降低了Cr的含量,增加了W、V、Ti的含量,细化了晶粒,碳化物分布均匀,硬度更高,抗压强度约高30%,抗弯强度高1倍,冲击韧度高2倍。Cr元素的存在又使这种钢有很好的抗蚀性,可有效防止工作介质对眼镜板的腐蚀。
  3.2结构形式
  一般说来组合式结构(如图1a所示)的优点一是可避免应力集中,提高工作寿命;二是减少贵金属的消耗,降低材料成本。但其生产周期较长、工艺复杂,同时在焊接过程中容易产生焊接缺陷而严重影响眼镜板的使用寿命。整体式结构(如图1b所示)精度高、工艺简单、加工周期短、费用低,同时还可避免焊接缺陷带来的影响。通过以上分析,考虑到眼镜板工作中不存在明显的应力集中的情况,所以采用了整体式结构。
  3.3硬化处理工艺
  眼镜板加工工艺流程为:下料→锻造→球化→退火→粗加工→真空热处理→精加工→表面强化处理。为提高其表面硬度及耐磨性,采取了真空热处理及表面强化处理作为硬化处理工艺。
  (1)真空热处理。
  在ZC-65双室真空淬火炉中进行,热处理工艺如图2所示。工件进入真空炉后,在真空压力达到102/1torr时开始加热。为防止合金元素挥发,适当充入高纯度氮气,真空压力保持在10/1torr左右。保温结束后,工件进入通有氮气、真空压力为550-580torr,并用风扇使气体循环的冷却室进行气淬(氮气纯度为99.995%-99.998%)。淬火温度为1160℃,回火温度为550℃,这是由于基体钢硬度硬度靠基体中过饱和元素在回火中弥散析出(二次硬化)来提高,所以必须高淬高回。
  经真空热处理后的工件晶粒度为7-8级,表面光洁、硬度均匀、变形小,机械性能如表2所示。
  (2)表面强化处理。
  表面强化处理的方式很多,选择了氮离子注入工艺。离子注入可提高金属材料表面的硬度、耐磨性、耐疲劳性和耐腐蚀性能,其注入系统为:离子源→加速管→磁分析器→靶室。将高纯度氮气引入注入机的离子源中,电离为氮离子,再经高压电场加速形成高速离子束流,对装在靶室中的工件进行轰击,注入到工件表面,使氮离子与其它元素的原子形成强固结合,或将其表面位错钉扎在一起,形成所谓“位错网络”,从而引起材料表面的硬化作用。同时,离子质量较大,注入时的轰击作用与喷丸相似,也可使表面产生硬化作用。离子注入工艺参数能量为E=100keV,注入剂量D=5×1017N+/cm2。由于离子注入是在较高的真空度和低温下进行的,因此工件在离子注入后表面仍十分光洁,且无变形。离子注入的另一个优点是在磨损过程中,注入元素的原子不断向磨损深度方向迁移,即在眼镜板工作过程中,因摩擦热而升高温度以及由于接触摩擦应力的作用,可导致注入的氮原子向内扩散迁移,在晶粒边界上重又形成强固的原子间结合,相当于耐磨层随着磨损过程不断下移,从而可提高其耐磨性。对于眼镜板而言,一般表面强化的方法在使用过程中如果表面硬化层脱落,工件的磨损就会加剧,混凝土泵的泵送量会逐渐降低,而采用离子注入的方法,可有效地解决这个问题,提高眼镜板寿命。
  4、结论
  在采取以上措施对眼镜板制作工艺进行改进后,进行了比较经验,数据如图3所示,由试验数据可以看出,选用新材料、新工艺制作眼镜板,使用寿命可大幅提高。
  (来源:中国工程机械银网)
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