Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса по ресурсному износу соединений с зазором 9
1.1 Достигнутый уровень ресурса соединений с зазором и их влияние на долговечность машин 9
1.2 Влияние материала детали подвижного соединения на его долговечность 16
1.3 Влияние смазочных материалов на ресурс соединения с
зазором 27
1.4 Анализ способов восстановления с целью повышения долговечности 36
1.5 Цели изадачи исследования 39
2 Теоретические аспекты повышения долговечности соединений с зазором 41
2.1 Исследование факторов влияющих на долговечность 41
2.2 Исследование влияния снижения допуска на ресурс подвижных соединений 51
2.3 Обоснование выбора средств измерения 60
2.2 Исследование скорости изнашивания подвижных соединений 64
2.5 Выводы по главе 68
3 Программа и методика проведения экспериментальной проверки 69
3.1 Обоснование объема необходимой информации и повторности экспериментальных работ 69
3.2 Методика проведения микрометража изношенных и восстановленных соединений «втулка - опорная шейка» распределительного вала 71
3.3 Требования, предъявляемые к инструментальной базе
для обеспечения точности измерений и достоверности результатов 73
3.4 Методика расчета ремонтных размеров 80
3.5 Методика опытно-эксплуатационной проверки результатов исследования 83
3.6 Выводы по главе 84
4 Результаты экспериментальных исследований 85
4.1 Результаты статистической обработки изношенных соединений 85
4.2 Результаты исследований влияния точности средств измерения на качество восстановления деталей 92
4.3 Результаты исследования скорости изнашивания подвижных соединений 97
4.4 Результаты применения метода подбора размеров пар трения в условиях существующего ремонтного производства 99
4.5 Рекомендации по применению метода подбора размеров пар трения 105 в условиях существующего ремонтного производства
4.6 Выводы по главе 112
5 Экономическая эффективность восстановления
Методом подбора размеров пар трения из
Общие выводы 122
Литература
- Достигнутый уровень ресурса соединений с зазором и их влияние на долговечность машин
- Исследование факторов влияющих на долговечность
- Исследование влияния снижения допуска на ресурс подвижных соединений
- Результаты статистической обработки изношенных соединений
Введение к работе
ГГ^Ґл
Актуальность работы. На современном этапе перехода к рыночным отношениям - интенсификация сельскохозяйственного производства - одна из главных задач агропромышленного комплекса Российской Федерации, которая зависит от работоспособности и технического уровня применяемого парка машин и эффективного его использования.
В настоящее время на автомобилях, тракторах, комбайнах и специализированной технике эксплуатируется более 3 млн. двигателей внутреннего сгорания, причем значительная часть, которых после капитального ремонта. Ресурс капитально отремонтированных двигателей зачастую не превышает 30-47 % ресурса новых. Затраты и трудозатраты на обеспечение работоспособности двигателя, соответственно в 5-6 раз и в 10-15 раз больше, чем на его изготовление. В общем объеме отказов двигателей 27-30 % приходится на подвижные соединения коленчатого и распределительного валов.
Исследования показали, что в 96 % случаев сельскохозяйственная техника восстанавливается с нарушениями технических условий. Это связано с существующей практикой субъективного подхода к назначению норм точности на геометрические параметры деталей сборочных единиц, что зачастую приводит к выбору неправильных требований к точности. В результате на практике при восстановлении подвижных соединений, как правило, полулают увеличенный зазор, что снижает долговечность соединений.
Поэтому исследования направленные на теоретическое обоснование и разработку технологии восстановления подвижных соединений методом подбора размеров пар трения, являются актуальными и имеют большое ресурсосберегающее значение для агропромышленного комплекса.
Объект исследований. Восстановленные соединения распределительного вала двигателя ЗМЗ-53 и его модификаций.
Предмет исследований. Процессы изнашивания в подвижных соединениях и влияние параметров восстановленного зазора на ресурс подвижного соединения.
Цель исследований. Целью работы является обеспечение качества и долговечности восстановленных подвижных соединений двигателей внутреннего сгорания в условиях единичного и мелкосерийного производства ремонтных мастерских предприятий АПК.
Общая методика исследований. В работе проведен анализ факторов обеспечивающих надежность подвижных соединений, условий их работы в зависимости от конструктивных, технологических и точностных параметров соединений и их элементов, оценки способов восстановления и обработки элементов соединений, теорий и методик точностного расчета посадок с зазором. Разработана комплексная методика исследований, включающую микрометраж изношенных и восстановленных соединений с целью построения динамики изнашивания и определения величины допуска при восстановлении с использованием мерительного инелфумент^^личной ТОЧДОСТИ-^ОІ-
.""FKA
0,002 мм) и методика восстановления соединений методом подбора размеров пар трения.
Научная новизна исследований заключается в теоретическом обосновании зависимостей для определения наименьших зазоров (с учетом технологической базы) при восстановлении подвижных соединений и повышения норм точности геометрических параметров восстановленных подвижных соединений, а также разработка методических рекомендаций по применению данного метода.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применяемыми современными методиками проведения исследований и обработки статистической информации, полученными эмпирическими данными по результатам производственных испытаний долговечности соединений.
Практическая значимость результатов исследований. Разработана методика расчета наименьшего зазора и допусков подвижных соединений с учетом конструктивных и технологических факторов; определены значения зон рассеяния подвижных соединений при восстановлении деіалей, обеспечивающие повышение их долговечности; разработаны и внедрены в производство практические рекомендации по совершенствованию технологического процесса восстановления посадочных мест и опорных шеек распределительных валов ЗМЗ-53.
Реализация результатов исследования. Результаты исследования внедрены в ЗАО «Сальское РТП», ОАО «Пролетарскагротехсервис», ЗАО «Зерноградское РТП», что подтверждено соответствующими актами.
Методические и практические разработки, представленные в диссертации, используются в учебном процессе.
Апробация. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-практических конференциях: «Сервис технической эксплуатации транспортных и технологических машин и оборудования в сельском хозяйстве» (Зерноград, 17-21 апреля 2000 г., 9-13 апреля 2001 г., 25-29 марта 2002 г.), «Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве» (Зерноград, ГНУ ВИИПТИ-МЭСХ, 23-25 мая 2001 г.), «Механизация сельского хозяйства» (г. Ставрополь, 8-12 апреля 2002 г.), «Агроинженерная наука - сельскохозяйственному производству» (Москва, 9-11 октября 2001 г.), «Современные проблемы технического сервиса в агропромышленном комплексе» (Москва, 16-18 декабря 2002 г.), «В.И. Болтинский и развитие автотракторной науки» (Москва, 26-30 января 2004 г.), «Актуальные проблемы вузовской агроинженерной науки» (Москва, 24-28 января 2005 г.).
Публикации. По результатам исследования опубликовано 5 печатных работ, в т.ч. методические рекомендации и статьи общим объемом ] ,6 печатных листов.
На защиту выносятся:
методика расчета наименьших зазоров с целью повышения долговечности соединений;
теоретические и экспериментальные зависимости долговечности подвижных соединений от величины минимально допустимых зазоров опорных шеек распределительного вала двигателей внутреннего сгорания;
технологические приемы, методы и средства обеспечивающие повышенный ресурс соединений с зазором;
рекомендации по восстановлению подвижных соединений методом подбора размеров пар трения.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, 5 глав, основные выводы, список использованной литературы из 102 наименований и 2 приложений. Изложена на 130 страницах машинописного текста, поясняется 45 рисунками, 17 таблицами.
Достигнутый уровень ресурса соединений с зазором и их влияние на долговечность машин
Практикой накоплен большой опыт по расчету, выбору, монтажу и эксплуатации подшипников скольжения, применительно к различным условиям работы машин и механизмов [5, 6,7].
Срок службы подшипникового узла зависит от многих факторов, определяемых как условиями эксплуатации подшипников (правильность выбора самого подшипника, посадки, качества и количества смазочных материалов, величины и характера нагрузки и т.д.), так и качеством самих подшипников (качество металла, точность геометрических параметров, качество обработки поверхностей и тел скольжения и т.д.). Существенное значение имеет также правильность конструктивного выполнения, как самого подшипника, так и подшипникового узла.
Одним из наиболее существенных факторов, определяющих долговечность подшипника скольжения является, величина радиального зазора, образовавшегося в подшипнике в его рабочем состоянии, которая в одних и тех же подшипниках может резко изменяться в зависимости от условий их сборки, посадки вала в корпус, а также от величины рабочей нагрузки. Этот зазор в значительной степени оказывает влияние на распределение нагрузки, действующей на подшипник между его телами трения. В работе [7] отмечается многократное уменьшение долговечности подшипников скольжения при увеличении зазора в посадке.
Следовательно, оптимальная посадка вала в подшипник в корпусе, тесно связана, с одной стороны с распределением внешней нагрузки, то есть с его долговечностью, и с другой стороны, с износом посадочных мест, то есть со сроком службы всей сборочной единицы.
Поэтому повышение долговечности подшипников скольжения и сопрягаемых с ними деталей является одним из основных мероприятий по повышению долговечности и технико-экономической эффективности всей машины.
Большой вклад в развитие технологии восстановления деталей и повышения долговечности соединений внесли: Ачкасов К.А., Батищев А.Н., Бугаев В.Н., Воловик ЕЛ., Ерохин М.Н., Кряжков В.М., Курчаткин В.В., Некрасов С.С., Потапов Г.К., Стрельцов В.В., Тельнов Н.Ф., Цыпцын В.И.и другие.
На ремонтных предприятиях посадочные поверхности элементов деталей, сопрягаемых с подшипниками скольжения, восстанавливают наплавкой, нанесением электролитических покрытий, газопламенным напылением порошков, электромеханической обработкой, электроконтактной приваркой стальной ленты и другими способами.
В последние годы наметилась тенденция использования упрочняющих технологий, которые позволяют значительно повысить относительную износостойкость деталей и соединений. Например, микродуговое оксидирование деталей увеличивает их износостойкость в 2-6 раз. Однако в настоящее время при восстановлении деталей не сформировалась стройная система научного обоснования и нормирования допусков. При выборе посадок соединений восстановленных деталей используется метод прецедентов. Для восстановленных соединений выбирают посадки аналогичные серийным. Такой выбор посадок справедлив лишь в случае общности физико-механических свойств поверхностей деталей, которые существенно отличаются от свойств серийных деталей. Поэтому, выбранные посадки для соединений восстановленных деталей должны быть определены с учетом различий физико-механических свойств сопрягаемых поверхностей. В каждом конкретном случае такие рекомендации являются результатом расчетов и экспериментальных проверок. Необходимость такой работы отмечена в трудах Белова В.М., Ерохина М.Н., Иванова А.И., Курчаткина В.В., Голубева И.Г., Карепи-на П.А., Куликова А.А., Леонова О.А., Сабирова М.Х. и др.
Для удобства оценки методов расчета точности геометрических параметров подвижных соединений представлена систематизированная классификация предложенная О.А. Леоновым (Рисунок 1.1) [10]. Основной критерий - это вид посадки [11, 12, 13], так как он является базовым для расчета предельных состояний и допусков. Другие элементы системы классификации (по виду смазки [11, 13], виду формы изнашивания [14, 15, 16], виду трения [16, 17], назначению [13], виду формы соединения, типу, распределению и характеру нагрузки [13], виду контакта поверхностей [17, 18], направлению перемещения, форме контакта) при расчете точности геометрических параметров соединений учитывают особенности режимов работы. Все элементы, которые используются при классификации, связаны между собой и отсутствие хотя бы одного приведет к погрешности в расчете.
Рассмотрим пример использования предлагаемой классификации. Подвижное соединение «вал - втулка»: по виду посадки это соединение с зазором; по виду формы - цилиндрическое; по трению — скольжения, движения; нагру-жение - не равномерное; форма контакта - поверхность; направление перемещения - вращательное; вид смазки - гидродинамическая; назначение - для уплотнения; вид изнашивания - абразивное, окислительное, коррозионное; характер нагрузок - циклические; вид контакта - может быть упругим насыщенным и ненасыщенным; направление нагрузки - без нагрузки (не предусмотрена).
Исследование факторов влияющих на долговечность
Выбранную посадку необходимо проверить, исходя из условия обеспечения наименьшего слоя смазки при наиболее неблагоприятных условиях. В этом случае hS -,м (2.3) Км = SH6WCT + 2(Ліл + KB) Чтобы избежать сухого трения, наименьшая толщина масляного слоя должна быть больше суммы высот шероховатостей вала и отверстия, то есть ЬшЖл + Кв- (2-4) Если выдерживаются условия (2.2) и (2.3), посадка выбрана правильно. В случае, когда посадка не удовлетворяет второму условию (2.4), нужно выбрать другую посадку и вновь произвести проверку.
Оказывается, что допустимой величине масляного слоя соответствуют два зазора (рис. 2.3): минимально допустимый зазор [Smirt] и максимально до пустим ый зазор [Smax], то есть при Smin [Smi„] и при Smax [Smax] происходит разрыв масляной пленки.
Если принимать наименьший и наибольший зазоры в районе Sonm , который равен; (2.5) 5„, — о„ с "max "піп Qrtm то соответственно уменьшается допуск деталей Т„ = Тв + Toms, а следовательно затраты на изготовление будут значительно возрастать, так как относительные затраты на изготовление находятся в кубической зависимости от величины допуска. С другой стороны, если мы будем умеїіьшать [Smin] и увеличивать [Smax], то будет нарушаться масляный слой и срок службы значительно уменьшится. .hyMKM
Исследования работы различных узлов трения позволили установить особый характер изнашивания деталей во времени. Здесь различают три периода (Рисунок 2.4). Как видно из графика, первый период t} характеризуется повышением темпов износа. Время протекания износа трущихся деталей в этом периоде носит название периода приработки.
Под прирабатываемостью соединения понимают свойство материала уменьшать по средствам износа, срезания или пластического деформирова ния поверхностей трения, а также под постоянной нагрузкой увеличивать фактическую площадь касания трущихся деталей за счет чего снижаются давление и температура в зоне контакта поверхностей и создаются лучшие условия смазывания.
Повышенный износ трущихся деталей в период приработки независимо от чистоты обработки можно объяснить явлением взаимного внедрения прижатых поверхностных слоев металла и зацеплением неровностей при грубой обработке. При движении прижатых поверхностей с участками внедрения последние должны как бы прорезать или вырвать метал из сопряженной детали. Это явление сопровождается деформацией и интенсивным разрушением поверхностных слоев, что и определяет повышенный износ деталей подвижных соединений в этот период.
В дальнейшем, когда детали взаимно приработались (Рисунок 2.4), износ уменьшается и наступает второй период t2 работы узла трения - период нормального изнашивания. Как видно из графика износ протекает равномерно с незначительным увеличением зазора и углом а к оси абцисс. В свою очередь угол а зависит от материала вала и подшипника, диаметра соединения, вязкости смазочного материала, его качества и условий смазывания, условий эксплуатации, своевременного ТО и др. факторов.
Период t2 принято изображать линейной зависимостью, а на самом деле износ протекает скачкообразно [48]. Так сказываются постоянные пуски и остановки двигателя. Особенно сказываются пуски двигателя после продолжительных простоев, а также пуски в зимний период эксплуатации [48].
По мере увеличения износа поверхностей сопряженных деталей возрастают зазоры соединений, углубляются риски на поверхностях трения, накапливаются продукты износа между деталями и ухудшаются условия смазывающего действия масел, появляется динамическое нагружепие. Наступает третий период t3 работы узлов трения - период ускоренного изнашивания.
Третий период работы свидетельствует о необходимости ремонта узлов трения и механизмов. На данном участке увеличиваются динамические и ударные нагрузки, температура в зонах контакта поверхностей трения, что приводит к разбиванию, выкрашиванию или выплавлению антифрикционного слоя за короткий промежуток эксплуатации.
Период нормального изнашивания является межремонтным периодом работы сопряжения. Знание межремонтного срока работы необходимо для планирования ремонтных работ.
Исследование влияния снижения допуска на ресурс подвижных соединений
В настоящее время в сельскохозяйственном ремонтном производстве при выборе посадок поверхностей восстановленных деталей используется метод прецедентов. Для восстановленных соединений выбирают посадки аналогичные серийным, что соответствует техническим условиям. Однако такой выбор посадок справедлив лишь при условии полной сходимости при знаков восстановленных и серийных соединений. Как показал анализ, механические свойства поверхностей восстановленных деталей превосходят ряд (таких как износостойкость, коэффициент трения, микротвердость и т.д.) свойств серийных деталей. Таким образом, массив восстановленных и серийных соединений восстановленных деталей должен быть скорректирован с учетом различий соединений, в том числе физико-механических свойств соединяемых поверхностей. В каждом конкретном случае рекомендации являются результатом расчетов и экспериментальных проверок. Однако, в настоящее время при разработке новых чертежей допуски на размеры восстановленных деталей установленные заводом-изготовителем используют без изменения независимо от износостойкости поверхностей. Так, в нормативно-технической документации, в частности, в ремонтных чертежах и картах технологических процессов восстановления деталей автомобилей, тракторов сельскохозяйственных и животноводческих машин требуемые точности восстановленных деталей, в том числе с износостойкими покрытиями формируются по аналогии с изготовлением новых деталей соединения [54, 55].
Однако такой метод назначения допусков на размеры восстановленных деталей приемлем для малоизнашивающихся деталей, к которым относят детали, у которых размер за время эксплуатации не изменяется или изменяется незначительно, а износ за полный срок службы машины оказывается во много раз больше соответствующего допуска на изготовление деталей соединения. При этом назначение допуска на размер восстановленных деталей предусматривает только обеспечение сокращения расходов на стадии изготовления и сборки, а не стадии эксплуатации. Таким образом, при разработке новых чертежей на малоизнашивающиеся детали можно назначить соответствующие рабочему чертежу серийной детали, а при назначении допусков на размеры быстроизнашивающихся использование равных допусков соединений имеет существенные
В последние годы появились публикации некоторых авторов, в которых обоснована необходимость расширения допусков на размеры некоторых восстановленных деталей [71, 72]. Анализ показал, что они в основном основываются на подходах: расчету допусков на размеры восстановленных деталей, изложенных в работе [73], а предложенные формулы можно использовать лишь для конкретных деталей и соединений. Так, в работах авторов Куликова А.А. и Леонова О.А. определены точностные параметры соединений "вал-уплотнение" редукторов картофелеуборочных комбайнов при различных способах восстановления на заданный ресурс [66].
В настоящее время в технических требованиях на капитальный ремонт машин допустимые размеры деталей рассчитаны на ресурс, 80% от ресурса новых машин, на самом деле он составляет 30-47 % от новых [68, 69, 70].
Таким образом, в действующей нормативно-технической документации устанавливающей требования к точности восстановленных деталей не учтен ряд современных тенденций в ремонтном производстве.
При разработке рабочих чертежей деталей применяют различные методы расчета допусков на размеры. Основные из них: метод равного квалите-та, пропорционального влияния, равных допусков и экономического обоснования. Они достаточно подробно описаны в работе [77], Однако, сложность и трудоемкость расчетов подразумевает использование многих методов при расчете допусков деталей в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении.
Результаты статистической обработки изношенных соединений
1 Разработана общая методика исследований метода подбора пар трения. 2 Предложена комплексная методика проведения микрометража исследуемых пар трения с учетом предложенного метода восстановления. 3 Предложена методика выбора средств измерения учитывающая возрастание погрешности во времени. 4 Предложена методика расчета размеров пар трения учитывающая случаи восстановления вала или отверстия. 5 Предложена методика эксплуатационной проверки результатов исследований на ремонтных предприятиях АПК.
Учитывая ограниченность, по вопросам износа подшипниковой пары втулка (13-1006024-АЗ и 13-1006028) - шейка распределительного вала (13-1006015-А) двигателя ЗМЗ-53, нами проводился микрометраж рабочих поверхностей этих соединений.
В результате исследования 50 соединений установлено, что рассеяние износа вкладышей и опорных шеек валов совпадает с ЗНР.
После исследования выявлено, что наибольший износ по зазору составил 0,379 мм. Замене при ремонте подлежат 100 % вкладышей. При микрометраже (пп. 3.2) валов выявлено, что около 70 % валов требуют восстановления - наплавкой опорных шеек, а 30 % -шлифования на один из ремонтных размеров.
На всех шейках, как правило, в зонах выхода масла из магистрального канала наблюдалась кольцевая выработка, а на втулках в этих зонах имеется своеобразные вкрапления абразива и продуктов износа.
Основными дефектами втулок были повреждение антифрикционного слоя за счет вдавливания абразивных частиц (продуктов износа), а также глубокие риски, образующие кольцевые замкнутые канавки рисунок 4.1 и
Основными дефектами распределительного вала были риски и задиры на рабочих поверхностях, а также изгиб вала. Наибольшие повреждения наблюдались у средней и крайней опорных шеек распределительного вала. Износ кулачков у 95 % распределительных валов находится в пределах заводского допуска на размер.
Полученные данные были подвергнуты обработке с использованием методов математической статистики [88, 89, 90, 91] и разработанной компьютерной программы Excel. По результатам обработки построены кривые распределения (Рисунок 4.3 - 4.7), а также по результатам обработки величин износов соединения были получены: сводная таблица 4.4 по определению скорости износа соединения Рв и построены классические кривые износа соединения распределительного вала (рис 4.8).
Износ по зазору соединения «втулка - опорная шейка» распределительного вала двигателя ЗМЗ-53 совпадает с ЗНР. Наименьший зазор составил 0,088 мм, а наибольший - 0,283 мм. Из распределения (Рисунок 4.4) видно, что наибольшее число соединений приходится на зазор 0,127-0,166 мм при допустимом 0,070 мм. Что доказывает не соблюдение межремонтного периода.
По второй шейке (Рисунок 4.4) наибольшее число изношенных зазоров находится в тех же пределах 0,127-0,166 мм при наименьшем зазоре 0,082 мм и наибольшем зазоре 0,287 мм.
Распределение (Рисунок 4.5), по износу соединения третьей шейки показывает, что наибольшее число изношенных зазоров находится в пределах 0,174-0,215 мм, и наблюдается повышенный износ в сравнении с остальными опорами. Наименьший измеренный зазор составил 0,092, а наибольший -0,379 мм. Вероятность совпадения с ЗНР составила 71,2 %.
В результате обработки выявлено, что наибольший износ соединения по зазору наблюдался у третьей пары трения.
При микрометраже соединений выявлено, что не соблюдается межремонтный период при эксплуатации машин, а как показали исследования [45] - это сказывается на давлении в системе смазки, что приводит к полу сухому трению в подшипниковых узлах и тем самым к аварийному износу.
В результате исследований составлена таблица 4.1 стандартных посадок рекомендуемых к применению при восстановлении методом подбора размеров пар трения.
Из таблицы видно, что ближайшая стандартная посадка отличается на 1 мкм, т.е. практически установленный допуск на изготовление совпадает со стандартным рядом допусков и посадок.
