Введение к работе
Актуальность темы. При переходе на изготовление форсированных дизелей нового поколения возрастают требования к работоспособности и надежности конструкций. Из-за тенденции постоянного форсирования дизелей по параметрам частоты вращения и термодинамического цикла возрастает величина динамической напряженности деталей, снижается эксплуатационная надежность, что вызывает необходимость полностью использовать факторы, влияющие на износостойкость и усталостную прочность.
Увеличение агрегатной и цилиндровой мощностей форсированных дизелей приводит к увеличению размеров цилиндровых втулок. Необходимо проводить проверку надежности цилиндровых втулок по критерию «усталостная прочность», т.к. большинство поломок (на основании практики ремонта и литературных данных) вызвано усталостными разрушениями в характерных участках с наличием концентраторов напряжения. Дальнейшее форсирование дизелей требует проведения специальных исследований по повышению усталостной прочности цилиндровых втулок методами поверхностного пластического деформирования (ППД).
Упрочнение поверхностным пластическим деформированием является одной из главных проблем в ресурсосберегающем технологическом процессе производства современных деталей машин. Такое большое значение проблемы ППД объясняется следующими основными особенностями:
– поверхностный слой цилиндровой втулки в условиях эксплуатации имеет малое противостояние усталости из-за возникновения и развития усталостных трещин, коррозии, природной склонности к возникновению концентрации напряжений, износа и других факторов;
– максимальные динамические напряжения возникают в поверхностном слое от изгиба и кручения, которые являются главными видами нагрузки на детали.
Актуальность темы определяется необходимостью повышения эксплуатационных характеристик и обеспечения работоспособности цилиндровых втулок на весь период эксплуатации форсированных дизелей, т.к. втулки являются ресурсоопределяющими деталями дизеля. Потеря работоспособности втулки наблюдается из-за усталости материала под действием циклических нагрузок, в результате которых зарождаются усталостные трещины, около 92,5% отказов по представленным данным ООО «ПКР Дизельсервис», наблюдаемым в процессе эксплуатации дизелей.
В целях снижения образования усталостных трещин и концентрации напряжений от рабочих нагрузок необходимо направленно воздействовать на эти участки упрочняющими методами ППД. Упрочнением поверхностного слоя при помощи ППД и образованием до начала эксплуатации благоприятных начальных технологических остаточных напряжений различных деталей занимались такие ученые как И.В. Кудрявцев, А.Н. Овсеенко, А.Г. Суслов,
С.П. Косырев и многие другие. Но в технической литературе отсутствует информация об исследованиях динамически напряженного состояния цилиндровой втулки на развернутых работающих дизелях, не создана методика и программа их испытаний на динамическую прочность. Без учёта динамических напряжений в поверхностном слое втулки исключается возможность применения ресурсосберегающих технологических методов ППД для повышения ее работоспособности, так как основным критерием эффективности оценки ППД являются значения остаточных напряжений, задаваемых в поверхностных слоях цилиндровой втулки, равные значению динамических рабочих напряжений. Вопросы локального воздействия ППД на определенные участки были рассмотрены в работах, посвященных исследованию коленчатых валов Марьиной Н.Л. [6], шатунных подшипников Горшкова Е.А. [7], шатунов Сорокиной Л.А. [8], но их исследования не подходят для тонкостенных цилиндровых втулок, работающих в другой системе нагружения и воздействия температуры.
Выполнение работ по решению проблемы повышения работоспособности цилиндровых втулок представляет собой часть исследований, входящих в комплекс научно-технических программ ОАО «Волжский дизель им. Маминых»: 015.05 «Создание и освоение производства локомотивов большой секционной мощности и высокопроизводительных машин для ремонта железнодорожных путей», 013.07 «Создание и освоение производства новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», и другого целевого комплекса программ по развитию двигателестроения и машиностроения.
Актуальность работы вызвана отсутствием исследований, которые позволяют определить картину напряжений сложных поверхностей с разным переменным сечением под действием рабочих нагрузок (в данном случае действие инерционных сил, сил рабочего давления газов и температуры). Отсутствует научно-обоснованная технология выравнивания этих напряжений в поверхностном слое цилиндровой втулки, направленная на повышение усталостной прочности в различных участках, в зависимости от напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки.
Цель работы и основные задачи: повышение эксплуатационной надежности цилиндровых втулок методом дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наружной поверхности с получением равномерного распределения напряжений на ней под воздействием рабочих нагрузок.
На основании изучения состояния вопроса и предварительного анализа перспективных путей повышения эксплуатационной надежности цилиндровых втулок для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать технологию упрочнения наружной поверхности цилиндровой втулки, позволяющую варьировать упрочнением поверхностного слоя в пределах 10-100 МПа.
-
Разработать модель влияния факторов эксперимента на свойства упрочненного поверхностного слоя на основе исследования напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки под влиянием инерционных сил, сил рабочего давления газов и температуры с применением метода дифференцированного гидродробеструйного упрочнения, а также выявить закономерности распределения остаточных напряжений в поверхностном слое.
-
Разработать методику проведения экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок на работающем развернутом дизеле.
-
Разработать технологический способ дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наружной поверхности цилиндровой втулки с обоснованием технологических режимов и провести экспериментальную проверку эффективности предлагаемого метода.
-
На основе результатов исследования провести оценку повышения эксплуатационной надежности и технико-экономическую оценку эффективности внедрения в производство.
Научная новизна:
-
Предложена и научно обоснована технология упрочнения наружной поверхности цилиндровой втулки с выбором режимов упрочнения, позволяющая на основании оценки напряженно-деформированного состояния от рабочих нагрузок активно управлять процессом гидродробеструйного упрочнения и выравнивать напряжения по сложному профилю наружной поверхности, повышая циклическую прочность и долговечность.
-
Разработано научное обоснование технологической подготовки выполнения операции дифференцированного гидродробеструйного упрочнения путем разработки:
математической модели напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок при нагружении силами инерции;
математической модели напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок под действием рабочего давления газов;
методики определения температурных напряжений.
На основании разработанных математических моделей получена схема распределения напряжений по сложному профилю наружной поверхности цилиндровой втулки, необходимая для последующего применения упрочняющей технологии и повышения циклической прочности.
-
Предложен и обоснован способ дифференцированного гидродробеструйного упрочнения с проведением эксперимента при варьировании режимов обработки (время, давление жидкости, диаметр дроби), позволяющий подобрать режимы упрочнения для задания необходимой величины начальных остаточных напряжений.
Методы и средства исследований
Теоретические исследования проводились с помощью расчетно-аналитических методов, использовались положения технологии машиностроения, строительной механики стержневой системы, теории упругости, теории сопротивления материалов, теории вероятностей и математической статистики, а также методом конечных элементов на ЭВМ. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки проводились в лабораторных условиях с использованием современных измерительных средств, компьютерной технологии и обработкой результатов экспериментов статистическими методами в лаборатории ОАО «Волжский дизель им. Маминых» и научных лабораториях СГТУ им. Гагарина Ю.А.
На защиту выносятся:
-
Технология упрочнения наружной поверхности цилиндровой втулки гидродробеструйным методом, позволяющая изменять упрочнение поверхностного слоя в пределах 10-100 МПа.
-
Методика технологической подготовки выполнения операции упрочнения, разработанная на основе математических моделей определения напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок от действия сил инерции, сил давления газов, а также температурных воздействий.
-
Способ дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наружной поверхности цилиндровой втулки с обоснованием рациональных технологических режимов и экспериментальная модель данного процесса.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Разработан способ повышения эксплуатационной надежности на основе технологии упрочнения наружной поверхности цилиндровой втулки, позволяющей изменять режимы обработки на различных участках наружной поверхности дифференцированным гидродробеструйный упрочнением в соответствии со схемой распределения напряжений.
Данная технология позволяет задать начальные остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое для получения уравновешенного напряженного состояния цилиндровой втулки во время эксплуатации, что снижает образование усталостных трещин, тем самым повышая цикловую прочность и долговечность. По результатам выполненных работ, эксплуатационная надежность цилиндровых втулок по критерию долговечности увеличена на 28%.
Результаты и положения по повышению эксплуатационной надежности цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей внедрены на предприятиях ОАО «Волжский дизель им. Маминых», ООО «ПКР Дизельсервис», ОАО «Тяжмаш», специализирующихся на изготовлении и ремонте цилиндровых втулок дизелей и подобных деталей тел вращения.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 5 конференциях различного уровня:
IV Всероссийской молодежной научно-технической конференции с международным участием «Россия молодая: передовые технологии – в промышленость!» (Омск, 2011);
XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ – 25» (Саратов, 2012);
Международной научно-практической конференции «Образование и наука: современное состояние и перспективы развития» (Тамбов, 2013);
I Международной конференции «Научные аспекты инновационных исследований» (Самара, 2013);
III Международной научно-технической конференции «Промышленность региона: проблемы и перспективы инновационного развития» (Гродно, 2013);
ежегодной научно-технической конференции кафедры «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ имени Гагарина Ю.А. (2009 – 2013).
Публикации. В ходе работы над диссертацией опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы. Текст диссертационной работы изложен на 138 страницах, содержит 42 рисунка, 36 таблиц, список используемой литературы включает 104 наименования.
