Способ восстановления посадочной поверхности полумуфты Российский патент 2023 года по МПК B23P6/00 

Область техники

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано, в частности, для восстановления посадочных поверхностей выполненных из углеродистой стали цилиндрических полумуфт, соединяющих валы роторов паровых или газовых турбин.

Уровень техники

Одними из важных узлов в конструкции паровых и газовых турбин являются соединительные жесткие муфты, которые предназначены для соединения между собой валов роторов турбины в единый валопровод, а также для передачи крутящего момента от отдельных роторов турбины к ротору генератора. Соединительные жесткие муфты несут большие нагрузки и вращаются с большой скоростью. Во время работы материал соединительных жестких муфт испытывает значительные напряжения, без учета напряжений, связанных с действием центробежных сил и зависящих от масс и скорости вращения деталей соединительных жестких полумуфт, в последних возникают знакопеременные напряжения, напряжения ударного характера, связанные с толчками и другие временные повышенные напряжения. При воздействии вибраций, вызывающих условия фреттинга и фреттинг-коррозии между валом и полумуфтой (номинально неподвижными соединениями) происходит исчезновение требуемого натяга (плотной посадки полумуфты на вал). Исчезновение требуемого натяга относится к дефекту, который необходимо устранять во время капитальных ремонтов. Основными материалами для изготовления муфт энергетических машин являются углеродистые и легированные стали различных марок: 25, 35, 45, 34ХН1М, 35ХМА (Ремонт паровых турбин. / В.А. Молочек // Энергия. Москва. 1968, стр. 139 [1]).

Из уровня техники известен принятый в качестве прототипа заявляемого изобретения способ восстановления изношенных деталей из стали и чугуна, включающий нанесение электроискровым легированием, по крайней мере, одного износостойкого покрытия, которое наносят электродом из интерметаллида Ni₃Al, легированного бором, следующего состава, мас. %: Al - 2÷15, В - 0,02÷0,2, Ni - остальное (патент RU 2271913 С2, дата публикации: 20.03.2006 г., далее - [2]).

Техническим результатом известного из [2] способа восстановления изношенных деталей из стали и чугуна является восстановление и повышение износостойкости изношенных деталей, а также увеличение прочности сцепления нанесенного покрытия с материалом основы.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено патентуемое изобретение, является обеспечение возможности восстановления посадочных поверхностей выполненных из углеродистой стали полумуфт, соединяющих валы роторов паровых или газовых турбин, а техническим результатом - обеспечение возможности нанесения покрытия методом электроискрового легирования на внутреннюю поверхность цилиндрических полумуфт, выполненных из углеродистой стали 35Л, с последующим восстановлением их посадочных поверхностей до их номинальных размеров.

Решение указанной задачи путем достижения указанного технического результата, обеспечивается тем, что способ восстановления посадочной поверхности полумуфты из углеродистой стали, включает формирование покрытия на внутренней поверхности полумуфты методом электроискрового легирования с энергией единичного импульса 16-24 Дж и удельным временем от 1,5 до 3,5 мин/см электродом из сплава следующего состава в мас. %: С - 0,05÷0,2; Mn - 2,0÷3,0; Si - 0,15÷0,25; Mo - 12,0÷16,0; Cr - 12,0÷15,0; W - 3,0÷6,0; Ni - остальное; после окончания формирования указанного покрытия осуществляется расточка сформированного слоя указанного покрытия под посадочный размер полумуфты.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков патентуемого изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

Заявляемый способ восстановления посадочной поверхности полумуфты из углеродистой стали методом электроискрового легирования с энергией единичного импульса 16-24 Дж и удельным временем от 1,5 до 3,5 мин/см не приводит к существенному нагреву внутренней поверхности обрабатываемой полумуфты, а нагревает ее только до 60-70°С.При этом прочность сцепления материала покрытия, нанесенного электродом, с углеродистой сталью обрабатываемой полумуфты равна или превышает когезионную прочность материала покрытия благодаря высокой температуре 4000-10000 К в единичном акте короткого единичного импульса 10^-3-10^-5 с.

При определении состава электродов, изготавливаемых для осуществления нанесения покрытия на внутреннюю поверхность полумуфты, в качестве аналога был взят электрод марки ЦТ-28 (Э-08Х14Н65М15 В4Г2), состав которого представлен в таблице 1.

Электрод марки ЦТ-28 предназначен для сварки ответственного оборудования из сплавов на никелевой основе марок ХН78Т, ХН70 ВМЮТ и им подобных, а также разнородных металлов (перлитных, хромистых сталей со сплавами на никелевой основе).

Обеспечение возможности нанесения покрытия методом электроискрового легирования на внутреннюю поверхность цилиндрических полумуфт, выполненных из углеродистой стали 35Л, для восстановления их посадочных поверхностей до их номинальных размеров в случае осуществления изобретения в соответствии с формулой подтверждается приведенными ниже результатами экспериментов.

Краткое описание фигур

В таблице №1 представлен химический состав электрода ЦТ-28. В таблице №2 представлен химический состав электродов первой группы, использованных при нанесении покрытия на внутреннюю поверхность первой полумуфты. В таблице №3 представлен химический состав электродов второй группы, использованных при нанесении покрытия на внутреннюю поверхность второй полумуфты. На фиг. 1 представлена фотография покрытия, сформированного на внутренней поверхности первой полумуфты ротора низкого давления паровой турбины ПТ-65/75-90/13 ЛМЗ возле торцевой стенки первой полумуфты при использовании электродов первой группы, после осуществления расточки указанного покрытия под посадочный размер первой полумуфты. На фиг. 2 представлена фотография покрытия, сформированного на внутренней поверхности второй полумуфты ротора низкого давления паровой турбины ПТ-65/75-90/13 ЛМЗ возле шпоночного паза второй полумуфты при использовании электродов второй группы, после осуществления расточки указанного покрытия под посадочный размер второй полумуфты.

Осуществление изобретения

Ниже приведены частные примеры осуществления способа восстановления посадочной поверхности полумуфт из углеродистой стали.

Заявляемый способ был осуществлен при восстановлении внутренних поверхностей выполненных из углеродистой стали 35Л двух полумуфт роторов низкого давления паровой турбины ПТ-65/75-90/13 ЛМЗ. Площадь посадочной поверхности каждой из вышеуказанных полумуфт составляет 5890 см² с учетом двух шпоночных пазов и посадочных диаметров полумуфт равных 392 мм. В качестве установки для электроискрового легирования использовалась установка марки КГБ-5М. В качестве электродов для нанесения покрытия использовались две группы электродов. Химический состав электродов первой группы приведен в таблице №2. Химический состав электродов второй группы приведен в таблице №3. Длина электродов первой и второй групп составляла от 80 до 120 мм, а диаметр около 3 мм. Выбор вышеуказанных электродов основан на том, что покрытия, сформированные при использовании вышеуказанных электродов, характеризуются достаточно большими толщинами порядка 1,5 мм с учетом выступов покрытий. Кроме того покрытия, полученные путем использования вышеуказанных электродов, являются коррозионностойкими, а высокая прочность сцепления сформированного слоя покрытий с основой обеспечивает возможность осуществления механической обработки указанных покрытий путем их растачивания, шлифования или шабрения.

Первый пример осуществления изобретения

Сначала первая полумуфта ротора низкого давления паровой турбины ПТ-65/75-90/13 ЛМЗ была размещена ее внешней боковой поверхностью на внешних боковых поверхностях двух роликов, оси которых были закреплены на арматуре, установленной на рабочем столе. После чего был осуществлен осмотр внутренней поверхности первой полумуфты и удаление ржавчины и других загрязнений, а также различных неровностей на внутренней поверхности первой полумуфты с помощью наждачной бумаги. Затем на внутреннюю поверхность первой полумуфты была нанесена разметка в виде прямоугольных участков. Общее количество участков составило 60 единиц площадью приблизительно по 100 см². После чего провод заземления установки для электроискрового легирования был присоединен к первой полумуфте в отверстие, предназначенное для соединительного болта, а установка для электроискрового легирования была подключена к источнику питания. При этом электрод первой группы, химический состав которого приведен в таблице №2, был вставлен в электрододержатель аппликатора установки для электроискрового легирования, к которому была присоединена трубка, подсоединенная к устройству подачи воздуха. Затем было осуществлено включение установки для электроискрового легирования путем установки тумблера «Напряжение» на значение 40 В, соответствующее энергии единичного импульса 16 Дж, и было осуществлено включение устройства подачи воздуха. После чего осуществлялось поочередное формирование покрытия из материала электрода первой группы на каждом из 60 прямоугольных участков внутренней поверхности первой полумуфты с удельным временем 1,5 мин/см². По мере израсходования электрода первой группы в процессе формирования покрытия на внутренней поверхности первой полумуфты осуществлялась его замена на другой электрод первой группы. При переходе от одного прямоугольного участка внутренней поверхности первой полумуфты к ее другому прямоугольному участку, осуществлялся поворот первой полумуфты путем вращения роликов, на которых она была размещена. При этом в процессе формирования покрытия было обеспечено перекрытие границ сопредельных участков на 5-8 мм и периодически осуществлялся визуальный контроль сплошности сформированного покрытия. После окончания формирования покрытия на внутренней поверхности первой полумуфты была осуществлена обработка указанного покрытия под посадочный размер первой полумуфты путем ее растачивания на карусельном токарном станке с ЧПУ под посадочный размер первой полумуфты. Фотография покрытия, сформированного на внутренней поверхности первой полумуфты возле торцевой стенки первой полумуфты при использовании электродов первой группы, после осуществления расточки указанного покрытия до посадочного размера первой полумуфты представлена на фиг. 1.

Второй пример осуществления изобретения

Аналогично первому примеру сначала вторая полумуфта ротора низкого давления паровой турбины ПТ-65/75-90/13 ЛМЗ была размещена ее внешней боковой поверхностью на внешних боковых поверхностях двух роликов, оси которых были закреплены на арматуре, установленной на рабочем столе. После чего был осуществлен осмотр внутренней поверхности второй полумуфты и удаление ржавчины и других загрязнений, а также различных неровностей на внутренней поверхности второй полумуфты с помощью наждачной бумаги. Затем на внутреннюю поверхность второй полумуфты была нанесена разметка в виде прямоугольных участков. Общее количество участков составило 60 единиц площадью приблизительно по 100 см². После чего провод заземления установки для электроискрового легирования был присоединен ко второй полумуфте в отверстие, предназначенное для соединительного болта, а установка для электроискрового легирования была подключена к источнику питания. При этом электрод второй группы, химический состав которого приведен в таблице №3, был вставлен в электрододержатель аппликатора установки для электроискрового легирования, к которому была присоединена трубка, подсоединенная к устройству подачи воздуха. Затем было осуществлено включение установки для электроискрового легирования путем установки тумблера «Напряжение» на значение 50 В, соответствующее энергии единичного импульса 24 Дж, и было осуществлено включение устройства подачи воздуха. После чего осуществлялось поочередное формирование покрытия из материала электрода второй группы на каждом из 60 прямоугольных участков внутренней поверхности второй полумуфты с удельным временем 3,5 мин/см². По мере израсходования электрода второй группы в процессе формирования покрытия на внутренней поверхности второй полумуфты осуществлялась его замена на другой электрод второй группы. При переходе от одного прямоугольного участка внутренней поверхности второй полумуфты к ее другому прямоугольному участку, осуществлялся поворот второй полумуфты путем вращения роликов, на которых она была размещена. При этом в процессе формирования покрытия было обеспечено перекрытие границ сопредельных участков на 5-8 мм и периодически осуществлялся визуальный контроль сплошности сформированного покрытия. После окончания формирования покрытия на внутренней поверхности второй полумуфты была осуществлена обработка указанного покрытия под посадочный размер второй полумуфты путем ее растачивания на карусельном токарном станке с ЧПУ под посадочный размер второй полумуфты. Фотография покрытия, сформированного на внутренней поверхности второй полумуфты ротора низкого давления паровой турбины ПТ-65/75-90/13 ЛМЗ возле шпоночного паза второй полумуфты при использовании электродов второй группы, после осуществления расточки указанного покрытия до посадочного размера второй полумуфты представлена на фиг. 2.

Сформированные покрытия из материалов электродов первой и второй групп на внутренних поверхностях первой и второй полумуфт ротора низкого давления паровой турбины ПТ-65/75-90/13 ЛМЗ обладают высокой прочностью сцепления с основой, что подтверждается их состоянием после растачивания под посадочный размер (Фиг. 1, 2). Сформированные покрытия на внутренних поверхностях первой и второй полумуфт не скалываются под воздействием резца на кромке под полости шпоночного паза. Растачивание сформированных покрытий на внутренних поверхностях первой и второй полумуфт под их посадочные размеры формирует рельеф, характеризующийся опорными площадками поверхности, которые обеспечивают контакт посадочных поверхностей полумуфт с посадочными поверхностями вала не менее 70% от всей внутренней поверхности расточки полумуфт, что, в свою очередь, удовлетворяет требованию к посадочной поверхности полумуфт в соответствии со сведениями, изложенными на стр. 139 [1].

Промышленная применимость

Патентуемое изобретение отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании, таблицах и фигурах достаточно ясно для понимания и промышленной реализации соответствующими специалистами, а используемые средства просты и доступны для промышленной реализации в области машиностроения.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано, в частности, для восстановления посадочных поверхностей, выполненных из углеродистой стали, цилиндрических полумуфт, соединяющих валы роторов паровых или газовых турбин. Способ включает формирование покрытия на внутренней поверхности полумуфты методом электроискрового легирования с энергией единичного импульса 16-24 Дж и удельным временем от 1,5 до 3,5 мин/см² электродом из сплава следующего состава в мас. %: С - 0,05÷0,2; Mn - 2,0÷3,0; Si - 0,15÷0,25; Mo - 12,0÷16,0; Cr - 12,0÷15,0; W - 3,0÷6,0; Ni - остальное. После окончания формирования указанного покрытия осуществляют расточку сформированного слоя указанного покрытия под посадочный размер полумуфты. Изобретение обеспечивает возможность нанесения покрытия на внутреннюю поверхность цилиндрических полумуфт, выполненных из углеродистой стали 35Л, с последующим восстановлением их посадочных поверхностей до их номинальных размеров. 2 пр., 3 табл., 2 ил.

Способ восстановления посадочной поверхности полумуфты из углеродистой стали, отличающийся тем, что включает формирование покрытия на внутренней поверхности полумуфты методом электроискрового легирования с энергией единичного импульса 16-24 Дж и удельным временем от 1,5 до 3,5 мин/см² электродом из сплава следующего состава в мас. %: С - 0,05÷0,2; Mn - 2,0÷3,0; Si - 0,15÷0,25; Mo - 12,0÷16,0; Cr - 12,0÷15,0; W - 3,0÷6,0; Ni - остальное; после окончания формирования указанного покрытия осуществляется расточка сформированного слоя указанного покрытия под посадочный размер полумуфты.