Разработка композитных материалов для изготовления ковшей экскаваторов повышенной износостойкости

Аннотация

Проблема износа рабочих органов строительных машин и механизмов остается критическим фактором, определяющим эксплуатационные характеристики и экономическую эффективность землеройного оборудования. Разработка композитных материалов для изготовления ковшей экскаваторов повышенной износостойкости представляет собой актуальную междисциплинарную задачу, требующую интеграции достижений материаловедения, трибологии и машиностроения. Цель исследования заключается в разработке научно-технических принципов создания полимерно- металлических композитных материалов с армирующими элементами для изготовления износостойких ковшей экскаваторов. В рамках исследования применялись методы компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния, экспериментальные испытания на абразивный износ по ASTM G65, рентгеноструктурный анализ, растровая электронная микроскопия, а также статистические методы планирования эксперимента. Эмпирическая база исследования включала 180 образцов композитных материалов с различными типами армирующих элементов и концентрациями упрочняющих фаз. Результаты показали увеличение износостойкости разработанных композитов в 2,3-3,1 раза по сравнению с традиционной сталью Hardox 400, при этом коэффициент удельного износа составил [,12\pm0,03~MM^{3}/H м для оптимального состава с 15% армирующих волокон и 8% наночастиц карбида кремния. Прочность на изгиб достигла 485\pm12 МПа, что на 47% превышает показатели базового материала. Ударная вязкость композита составила 28,5\pm2, кДж/м², демонстрируя 35% прирост относительно контрольных образцов. Коэффициент трения снизился до 0,28\pm0,02, что обеспечивает улучшенные эксплуатационные характеристики в условиях интенсивного абразивного воздействия. Дискуссия результатов свидетельствует о перспективности разработанного подхода для создания нового поколения износостойких материалов, способных существенно повысить эффективность работы землеройного оборудования. Теоретическая значимость работы заключается в установлении закономерностей структурообразования и деформационного поведения многокомпонентных композитных систем под воздействием циклических нагрузок и абразивного износа. Практическая ценность определяется возможностью увеличения межремонтного периода эксплуатации ковшей экскаваторов в 1,8-2,2 раза, что обеспечивает значительное снижение эксплуатационных затрат.