Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса по ремонтной технологичности коленчатых валов автомобильных дизельных двигателей 9
1.1 Анализ конструктивно-технологических особенностей коленчатых валов двигателей КАМАЗ 9
1.2 Анализ дефектов коленчатых валов 12
1.3 Анализ изнашивания коленчатых валов в процессе эксплуатации ... 22
1.4 Анализ усталостных разрушений коленчатых валов в процессе эксплуатации 25
1.5 Выводы и задачи исследования 29
2 Теоретическое обоснование обеспечения ремонтной технологичности азотированных коленчатых валов ... 31
2.1 Обоснование математической модели состояния азотированного слоя шеек коленчатого вала при ремонте 31
2.2 Механизм влияния азотирования на кинетику усталостных разрушений поверхности шеек коленчатого вала 35
2.3 Обоснование вида обработки азотированного слоя 42
2.4 Характеристика основных видов электрических и химических методов обработки 43
2.5 Выводы по разделу 54
3 Программа и методика исследования 55
3.1 Программа и общая методика исследования 55
3.2 Методика измерения износа шеек коленчатого вала 57
3.3 Методика оценки сопротивления элементов коленчатого вала усталостным разрушениям з
3.4 Методика выбора способов восстановления коленчатого вала и обоснование параметров установки для снятия азотированного слоя .. 62
3.5 Методика формирования эксплуатационно-ремонтного цикла коленчатого вала 66
3.6 Выводы по разделу 69
4 Анализ результатов экспериментального исследования 70
4.1 Анализ твёрдости и интенсивности изнашивания азотированного слоя коленчатого вала в процессе эксплуатации 70
4.2 Оценка усталостной прочности азотированных коленчатых валов . 75
4.3 Выводы по разделу 78
5 Совершенствование технологии восстановления и разработка структуры эксплуатационно-ремонтного цикла азотированного коленчатого вала 80
5.1 Обоснование способов восстановления коленчатого вала в зависимости от технического состояния 80
5.2 Совершенствование структуры эксплуатационно-ремонтного цикла коленчатого вала 86
5.3 Технико-экономическая оценка результатов исследования 92
5.4 Выводы по разделу 94
Основные результаты и выводы 95
Список использованных источников
- Анализ изнашивания коленчатых валов в процессе эксплуатации
- Механизм влияния азотирования на кинетику усталостных разрушений поверхности шеек коленчатого вала
- Методика выбора способов восстановления коленчатого вала и обоснование параметров установки для снятия азотированного слоя
- Оценка усталостной прочности азотированных коленчатых валов
Анализ изнашивания коленчатых валов в процессе эксплуатации
Наибольший удельный вес имеют KB с разрушениями типа 1 (62,9%). Реже всего встречаются разрушения типа 4 (5,7%). Самое высокое значение среднего ремонтного размера, как по коренным, так и по шатунным шейкам имеют KB с разрушениями типа 3. Их величина по коренным шейкам составляет 1,67, а по шатунным - 1,83, что по коренным шейкам в 4,8 раза, а по шатунным шейкам в 3,6 раза выше, чем у KB в общем потоке. На основании этого считается, что большинство KB этого типа разрушений наиболее чувствительны к ремонтным воздействиям, в частности к уменьшению опасного сечения шейки, количеству перешлифовываний, качеству шлифования [45, 46, 48, 54, 55].
Очагом разрушения здесь считается место начала разрушения элемента КВ. Ориентиром места разрушения могут являться, как элементы, на которых данное разрушение началось, так и элементы, возле которых данное разрушение началось. Например, если очаг разрушения на цилиндрической части шатунной шейки под одним из вкладышей шатуна, то место разрушения является, с одной стороны, сама шатунная шейка, а с другой стороны сечение соответствующее номеру одного из шатунов или цилиндра двигателя (для сокращения «Ц», например «6Ц»). Если очаг разрушения находиться на одной из двух галтелей коренных шеек, обозначим с левой стороны галтель - Г1, а справой Г2, то местом разрушения является, с одной стороны - сопряжённая с ней щека, соответствующая (для сокращения Щ, например ЗЩ).
Каждый тип разрушения имеет соответствующие места и очаги разрушений. Распределение разрушений по местам возникновения очагов приведены в таблице 1.4.
Наиболее часто очаги разрушения типа 1 встречаются на галтелях 2-ой шатунной шейки со стороны 2-го цилиндра (Щ2Ц) и на галтели 3-ей коренной шейки (ЗКГ2). Их число соответственно равно 7 и 5. Их удельный вес среди всех очагов разрушений типа 1, составляет 31,8 % и 22,7 %.
Наибольшее число мест разрушений по щекам встречаются на 4 и 5 щеках. При этом появление разрушений на этих щеках равновероятно. Очаги разрушений типа 2 чаще всего встречаются на 4 шатунной шейке в районе, соответствующим 8Ц, рядом с шейкой №7. Удельный вес очагов в этих местах составляет 40,0 %. Таблица 1.4 - Распределение разрушений и местам очагов [115]
Наибольшее число мест разрушений по щекам встречаются на 4 и 5 щеках. При этом появление разрушений на этих щеках равновероятно. Очаги разрушений типа 2 чаще всего встречаются на 4 шатунной шейке в районе, соответствующим 8Ц, рядом с шейкой № 7. Удельный вес очагов в этих местах составляет 40,0 %.
Очаги разрушения типа 3 чаще всего встречаются на 4 шатунной шейке в районе, соответствующим 4Ц рядом с 8Щ. Удельный вес очагов в этих местах соответствует 50,0 %. Очаги разрушений типа 4 также зафиксированы на второй шатунной шейке в зоне 2Ц рядом с 4Щ и на третьей шатунной шейке в зоне 7Ц рядом с 5Щ.
Суммарное количество очагов и мест разрушений показывает, что они чаще всего встречаются в зоне 2Ц (22,9 %), на второй шатунной шейке (31,4 %), на третьей коренной шейке (14,5 %), около пятой (25,7 %) и четвертой (22,8 %) щёк.
Таким образом, в районе второй шатунной шейки, четвертой щеки, третьей коренной шейки, и пятой щеки чаще всего встречаются очаги разрушений.
Из KB, имеющих разрушение по типу 1, только на одном KB не обнаружены сопутствующие дефекты. Чаще всего встречаются задиры и трещины на коренных шейках, в частности, третьей.
При этом задиры по третьей коренной шейке встречаются в 75 % из всех случаев задира, а трещины на ней - в 37,5 %. Места задиров совпадают с местами возникновения очага разрушения в 56,2 %. Место трещин совпадает с местом очага разрушения в 100 %.
Из KB, имеющих разрушения типа 2, не обнаружено сопутствующих дефектов у двух КВ. На трех остальных KB имеются одновременно задиры и подрезы. При этом место задира и подреза соответствует месту очага разрушения.
Из KB, имеющих разрушения типа, 3 не обнаружено сопутствующих дефектов на двух КВ. На остальных 4-х встречаются задиры и трещины. При этом места задиров и трещин соответствуют месту очага разрушения. Все KB с разрушением типа 4 имеют соответствующие дефекты вида задира и трещин. При этом дефекты присутствуют на разрушенных элементах в местах очагов разрушения.
Механизм влияния азотирования на кинетику усталостных разрушений поверхности шеек коленчатого вала
Образование зародышевых трещин в пределах зерна представляет собой (по Одингу) результат направленного размножения (диффузия) дислокаций типа вакансий к границам зерна. Скорость диффузии пропорциональна напряжениям и температуре и, следовательно, ускоряется в результате микронагрева металла.
Скопление вакансий вызывает разрыхление структуры, возникновение субмикропор и образование первичных трещин. В отдельных зернах появляются субмикротрещины. Дальнейшее увеличение нагружения до базового количества циклов Nr приводит к образованию равномерного упрочненного слоя с повышенной плотностью закрепленных дислокаций и большим количеством субмикротрещин и микротрещин, размер которых меньше размера зерна. В таком слое при сколь угодно большом числе циклов нагружения дальнейшего развития повреждений не наблюдается. Напряжение, при котором создается упрочненный поверхностный слой, соответствует физическому пределу усталости ог.
Если напряжения продолжают действовать, то процесс повреждения развивается. Постепенно распространяясь, дислокации выходят на поверхность зерна. Здесь их движение приостанавливается главным образом из-за препятствия, создаваемого иной кристаллической ориентацией смежных зерен; разориентированность кристаллических поверхностей приводит к заклиниванию пластических сдвигов.
Другим препятствием служат межзеренные прослойки (поверхности спайности), обладающие из-за наличия примесей сильно искаженной атомно-кристаллической решеткой, иногда отличной по типу от кристаллической решетки зерна. Образуется своеобразный межзеренный барьер, эффективно тормозящий распространение повреждений. Для того чтобы преодолеть этот барьер, требуется напряжение, значительно превосходящее напряжение, вызывающие внутрикристаллитные сдвиги.
На определенном этапе происходит массовый прорыв дислокаций через межзеренные прослойки переход трещины в смежное зерно. Пробивное напряжение зависит от прочности прослойки и степени разориентировки кристаллических плоскостей смежных зерен. Легче всего преодолеваются прослойки между зернами с одинаково направленными кристаллическими плоскостями. Но случаи смежного расположения одинаково ориентированных кристаллов статистически редки.
Средняя величина напряжения, необходимого для преодоления межзеренных барьеров, определяет сопротивление усталости материала. Предел выносливости можно рассматривать как средний уровень напряжения, при котором трещины еще остаются в пределах зерен и частично или полностью залечиваются в периоды отдыха.
Выходя за пределы зерна, трещина скачкообразно расширяется, превращаясь в макротрещину, и меняет направление, продвигаясь по наиболее слабым участкам материала примерно перпендикулярно направлению действия максимальных растягивающих напряжений. Развитие трещины ускоряется из-за возникающей у ее основания резкой концентрации напряжений. Нагрев, происходящий при локальном разрушении, размягчает металл и, в свою очередь, облегчает распространение трещины. Макротрещина может расти под действием напряжений, гораздо более низких, чем напряжения потребные для преодоления межзеренного барьера, причем напряжения, необходимые для распространения трещины, уменьшаются по мере ее роста.
Одновременно развивается большое число трещин. Некоторые трещины, наталкиваясь на препятствия, останавливаются; другие продолжают развиваться. На определенном этапе процесс локализуется: разрастается преимущественно одна трещина или группа смежных трещин, опередивших в своем развитии остальные в силу сосредоточения на данном участке дефектов материала, локальных преднапряжений или в силу неблагоприятной ориентации кристаллов относительно действующих напряжений. Смежные трещины соединяются, образуя глубокую разветвленную систему. Новые пластические сдвиги и трещины не возникают, а успевшие образоваться - прекращают или замедляют свое развитие, так как все деформации принимает на себя главная трещина. Распространение главной трещины, в конечном счете, приводит к разрушению детали в результате уменьшения ее нетто-сечения.
В противоположность первым стадиям возникновения внутризеренных и межзеренных трещин, развивающихся в течение длительного времени, окончательное разрушение наступает внезапно и носит характер хрупкого излома. При напряжениях превышающих этот предел, происходит образование критической и развитие магистральной усталостной трещины, что приводит к хрупкому разрушению. Таким образом, последовательность модели физического предела усталости: дислокации - субмикро - микро -макротрещины - разрушение.
На усталостных изломах обычно обнаруживаются две зоны. Зона распространения усталостной трещины имеет матовую фарфоровидную поверхность, свойственную изломам с преобладанием транскристаллитного разрушения. На краях трещины нередко видны заглаженные до блеска, наклепанные участки - результат соударения, смятия и истирания стенок трещины при периодических деформациях материала. Зона окончательного разрушения имеет кристаллическую поверхность, свойственную хрупким изломам с преобладанием интеркристаллитного разрушения (например, ударным изломам и изломам хрупких материалов).
В зоне разрушения обычно виден полосатый узор, состоящий из ряда параллельных линий - следов скачкообразного продвижения трещины по мере накопления повреждений.
Первые трещины почти всегда (за исключением деталей с крупными внутренними дефектами) возникают в поверхностном слое толщиной около трех поперечников зерна (для стали в среднем 0,05-0,20 мм). Чаще всего трещины образуются в поверхностных зернах, поврежденных действием предшествующей механической обработки.
Таким образом, поверхностный слой имеет определяющее значение для сопротивления усталости. Во-первых, при большинстве видов нагружения поверхностный слой подвергается максимальным напряжениям. Укладка атомов в поверхностном слое плотнее, чем в нижележащих. В результате взаимодействия с нижележащими, менее плотными слоями в поверхностном слое возникают растягивающие напряжения и образуются разрыхления, являющиеся потенциальным источником образования трещин.
Во-вторых, частицы металла, выходящие на поверхность, обладая только односторонними металлическими связями с нижележащим металлом, имеют повышенную активность и легко вступают в связи с частицами окружающей среды. На поверхности металла образуются прочные, неудалимые обычными способами адсорбированные пленки пара, газа, влаги, масел и так далее. Проникая через микротрещины вглубь металла, адсорбированные пленки нарушают сплошность металла и вызывают ослабление приповерхностного слоя. Большое влияние оказывает расклинивающее действие частиц поверхностно-активных веществ (например, активизированных смазочных масел), проникающих в микрощели на поверхности металла (эффект Ребиндера). При ширине щелей порядка сотых долей микрометра развиваются давления в несколько десятков и сотен МПа, способствующие разрушению металла.
Методика выбора способов восстановления коленчатого вала и обоснование параметров установки для снятия азотированного слоя
Известны различные способы ремонта шеек коленчатого вала, [8, 12, 13, 41, 64, 79, 84, 86, 106, 107, 118, 126, 127], например, с применением накладок заключающийся в том, что на изношенную поверхность шейки устанавливают основную кольцевую ленточную накладку с нанесением на её внутреннюю поверхность пастообразным припоем, и фиксируют её на шейке контактно-точечной импульсной пайкой. После чего, на наружной стороне поверхности основной накладки, последовательно размещают, по меньшей мере, одну дополнительную кольцевую ленточную накладку с пастообразным припоем на внутренней поверхности, фиксируемую контактно-импульсной пайкой. Причём сумму толщин основной и дополнительной накладок выбирают из условия доведения диаметра изношенной шейки до номинального размера, используют основную и дополнительные накладки. Толщина каждой накладки, по меньшей мере, равна глубине зоны термического влияния на шейку вала при пайке. А перед установкой каждой последующей накладки наружную поверхность предыдущей подвергают механической обработке. Недостатками такого способа ремонта являются высокая трудоемкость, вызванная необходимостью изготовления нескольких ленточных накладок, их неоднократной пайкой и механической обработкой, а также высокая концентрация напряжений в местах изменения сечений, приводящая к снижению прочности коленчатого вала. Кроме того, пайка не обеспечивает необходимой надежности и долговечности.
Известен способ ремонта упрочненных индукционной закалкой (ТВЧ) коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, включающий шлифовку шеек на установленные ремонтные размеры с последующей финишной обработкой, например супер финишированием или полировкой [79]. Недостатком такого способа ремонта применительно к шейкам, упрочненных азотированием, является снижение допустимого уменьшения размера упрочнённых ионным азотированием шеек от номинального до ремонтного размера, не превышающего 0,4 мм (на сторону), из-за резкого уменьшения твердости, износостойкости и прочности шеек коленчатых валов вследствие уменьшения, вплоть до полной выборки, упрочненного слоя после перешлифовывания, что не позволяет значительную часть коленчатых валов восстановить перешлифовыванием под ремонтные размеры. Ремонт шлифованием под первый ремонтный размер (0,25 мм на сторону) возможен только на шейках, не имеющих задиров, забоин, прижогов и при отсутствии изгиба и скручивания коленчатого вала. Для основной массы шеек при ремонте ДВС применяются последующие ремонтные размеры со шлифовкой 0,5 мм, 0,75 мм, 1,0 мм на сторону, для которых имеются соответствующие ремонтные вкладыши. При этом требуется производить повторно термообработку или наплавку шеек, обеспечивающих необходимую твердость. Но это неприменимо для шеек, упрочненных азотированием из-за того, что повторная индукционная закалка или наплавка технологически невозможна на азотированном слое. Требуется удаление азотированного слоя, а процесс снятия азотированного слоя посредством шлифования является трудоемким и связан с большим расходом шлифовальных кругов [29, 34, 37].
Технический результат предложенного авторами способа [98] достигается тем, что поверхности шеек коленчатого вала подвергают электроэрозионной обработке на специально созданной установке (рисунки 3.6 и 3.7) для снятия оставшегося упрочненного азотированием слоя на глубину азотированного слоя.
Предварительная обработка шеек коленчатого вала по съему упрочненного азотированного слоя на электроэрозионном станке Затем поверхности шеек вала упрочняют индукционной закалкой ТВЧ, перешлифовывают и полируют в ремонтный размер. Это обеспечивает отсутствие появления дефектов шеек коленчатых валов при закалке ТВЧ: трещин, отслоений, образования раковин. Последующее шлифование поверхностей шеек под установленный ремонтный размер позволяет восстанавливать до 80 % коленчатых валов с задирами шеек. - станина; 2 - электрический шкаф; 3 - стол-ванна; 4 - бак с кантователем коленчатого вала; 5 - бак с диэлектрической жидкостью и насосом
Общий вид опытного электроэрозионного станка для удаления азотированного слоя с шеек KB
Использование предложенного способа ремонта азотированных коленчатых валов двигателей КАМАЗ предлагается следующим образом [32-35]. Коленчатый вал изготовлен из стали 42 ХМФА. Химический состав в %: углерод 0,40 - 0,45; ванадий 0,08 - 0,12; марганец 0,5 - 8; кремний 0,17 - 0,37; хром 1,0 - 1,3; молибден 0,35 - 0,45, остальное - железо. Процесс азотирования осуществляется по всей поверхности коленчатого вала объемным методом. Глубина упрочненного азотированного слоя у шатунных и коренных шеек составляет не более 0,4 мм. Предлагается производить ремонт упрочненных азотированием шеек коленчатых валов удалением азотированного слоя электроэрозионной обработкой (рисунок 3.8), с последующей закалкой ТВЧ, шлифованием и полированием.
Оценка усталостной прочности азотированных коленчатых валов
Вопрос целесообразности применения азотированных коленчатых валов в новом поколении двигателей автомобилей КАМАЗ имеет наряду с технической и важную экономическую составляющую. Азотирование деталей является одним из эффективных способов их упрочнения. В тоже время после азотирования, как правило, детали снижают свою ремонтопригодность или полностью становятся неремонтопригодными. Это связано с тем, что рабочий нитридный слой, в отличие от просто закаленного слоя, например с помощью ТВЧ, очень тонок (0,2-0,4 мм). Уже на глубине 0,1 мм его триботехнические свойства снижаются в 2-3 раза. Повторное азотирование приводит к перенасыщению рабочего слоя нитридами и, как следствие, к образованию трещин и потери работоспособности детали.
Подтверждением этого может служить опыт эксплуатации двигателя ЯМЗ-238НБ, в котором был применен азотированный коленчатый вал. Наряду с повышением сопротивления усталости и износостойкости шеек коленчатого вала задиростойкость шеек оставалась не удовлетворительной. Азотированные коленчатые валы с задирами на шейках пробовали восстанавливать методом ремонтных размеров, например на Кандалакшском АРЗ, но после перешлифовывания вероятность задира, износа и поломок резко возрастала. Все попытки специалистов ЯМЗ сделать этот KB более ремонтопригодным оказались безуспешными [42,43].
Возможность технического применения процесса азотирования коленчатых валов для нового поколения двигателей автомобилей КАМАЗ видимо не у кого не вызывает сомнения. Известно, что сталь марки 42ХМФА, из которой изготавливаются коленчатые валы двигателей автомобилей КАМАЗ, изначально была разработана ЦНИИЧМ совместно с ЯМЗ специально для наилучшего азотирования. В связи с увеличением радиуса кривошипа и, как следствие, снижением уровня перекрытия коренных и шатунных шеек требования к моменту выносливости ужесточаются.
Процесс азотирования не во всех случаях повышает несущую способность и обеспечивает ее стабильный уровень по сравнению с закалкой. Если даже удастся снизить вероятность задира шеек в 2 раза, то количество дефектных валов приходящих в ремонт составит более 10%. В силу низкой ремонтопригодности таких валов они должны будут выбракованы.
Таким образом, применение азотированных коленчатых валов является не только технической, но и экономической задачей. Приблизительные расчеты при среднем сроке службы двигателя 10 лет показывают, что если вероятность выбраковки валов в течение года составляет 0,01, то при устоявшихся процессах выпуска и эксплуатации средняя годовая потребность их в замене составит около 5 % от годового выпуска двигателей, при вероятности выбраковки 0,03 - около 15 %, при вероятности выбраковки 0,05 - около 24 %, а при вероятности выбраковки 0,07 - около 30 % от годового выпуска двигателей. Это связано с чем, что в эксплуатации находятся существенно больше двигателей, чем их годовой выпуск.
Допустимость уровня выбраковки связана с одной стороны возможностями производственных мощностей, а с другой уровнем потерь потребителей. Для примера при среднерыночной цене коленчатого вала одна тысяча долларов, программе производства 50 тысяч двигателей и уровне годовой выбраковки 0,03 потери потребителей составят 7,5 млн. долларов.
Сокращение затрат на выбраковку азотированных KB по результатам настоящего исследования на 48,8 тыс. руб. за амортизационный срок 10 лет составляет 4,88 тыс. руб. в год на один двигатель. С учётом годовой программы выпуска двигателей с азотированными KB 10000 годовой экономический эффект составит 48,8 млн. рублей. 5.4 Выводы по разделу 1. Азотированные KB имеют много преимуществ по сравнению с KB, обработанными ТВЧ и по износостойкости, и по сопротивлению усталости. Однако их ремонтопригодность оставляет желать лучшего, что требует затрат на KB на 63 % выше. 2. При естественном изнашивании шеек азотированного KB форсированного двигателя до наработки 300 тыс. км перешлифовывания под ремонтный размер не требуется вследствие малого износа шеек. 3. Ремонтопригодность KB значительно сокращается после наработки 300 тыс. км. Поэтому рекомендуется использование обоснованного способа и технологии электроэрозионной обработки. 4. Предлагаем при этой наработке выполнять ЭЭО с последующей наплавкой и механической обработкой. Предложенная структура ЭРЦ KB позволит сократить затраты на 48,8 тыс. руб. на двигатель за амортизационный пробег. С учётом годовой программы выпуска двигателей с азотированными KB 10000 годовой экономический эффект составит 48,8 млн. рублей.