Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1. Турбокомпрессоры дизелей и анализ причин нарушения работоспособности турбокомпрессоров 10
1.2. Технологии восстановления изношенных деталей турбокомпрессоров 20
1.2.1. Ремонт и восстановление посадочной поверхности вала ротора под подшипник 20
1.2.2. Ремонт и восстановление втулок подшипников. 22
1.2.3. Ремонт и восстановление отверстия среднего корпуса под подшипник 24
1.3. Электроискровая обработка как способ восстановления параметров изношенных деталей 25
1.4. Ремонт агрегатов с восстановлением изношенных поверхностей электроискровой наплавкой 34
1.5. Цели и задачи исследования 37
Глава 2. Теоретические методы повышения долговечности турбокомпрессоров, обеспечивающих не менее 80 процентный ресурс после ремонта 39
2.1. Средний ресурс турбокомпрессоров за срок службы 39
2.2 Среднее число капитальных ремонтов турбокомпрессоров 46
2.3. Нагрузки, действующие на подшипники турбокомпрессора 48
2.4 Способы повышения долговечности подшипникового узла турбокомпрессоров с не вращающейся моновтулкой . 53
2.5. Теоретические задачи повышения износостойкости восстанавливаемых сопряжений 62
2.6. Оптимизация технологических режимов электроискровой обработки 68
Глава 3. Методические основы экспериментальных исследований. 73
3.1. Программа исследований 73
3.2. Методика проведения микрометражных исследований 74
3.3. Методика выбора технологических режимов электроискровой обработки. 19
3.4. Методика металлографических исследований покрытий образованных ЭИО 81
3.5. Методика триботехнических лабораторно-стендовых испытаний моделей серийных и восстановленных пар трения 84
3.6. Методика балансировки роторов турбокомпрессоров. 88
3.7. Методика стендовых испытаний турбокомпрессоров, собранных из серийных и восстановленных деталей 93
3.8. Методика эксплуатационных испытаний отремонтированных турбокомпрессоров 99
Глава 4. Результаты эксперементалъных исследований 100
4.1. Результаты микрометражных исследований 100
4.2. Результаты выбора электродных материалов и рациональных режимов ЭИО 110
4.2.1. Выбор рациональных технологических режимов ЭИО рабочих поверхностей вала ротора турбокомпрессора. 110
4.2.2. Выбор рациональных технологических режимов ЭИО подшипников турбокомпрессора, изготовленный из Бронзы БрОО0-10... 114
4.2.3. Рациональные технологические режимы ЭИО изношенных деталей турбокомпрессоров 117
4.3. Результаты металлографических исследований покрытий, образованных электроискровой обработкой. 119
4.3.1. Исследование покрытий нанесенных на образцы из стали 40Х. 119
4.3.2. Исследование покрытий нанесенных на образцы из бронзы БрОС 10-10. 123
4.4. Результаты триботехнических испытаний новых и; восстановленных ЭИО пар трения 127
4.5. Прогнозирование ресурса восстановленных сопряжений и отремонтированного турбокомпрессора 132
Глава 5. Разработка технологического процесса фемонта турбокомпрессора. внедрение результатов исследования и их экономическая эффективность 140
5.1 Разработка технологического процесса восстановления турбокомпрессора методом ЭИО. 140
5.2 Технико-экономическая эффективность от внедрения технологии ремонта турбокомпрессора и восстановленных деталей. 146
Общие выводы 150
Список литературы. 152
Приложения.
- Технологии восстановления изношенных деталей турбокомпрессоров
- Способы повышения долговечности подшипникового узла турбокомпрессоров с не вращающейся моновтулкой
- Методика триботехнических лабораторно-стендовых испытаний моделей серийных и восстановленных пар трения
- Рациональные технологические режимы ЭИО изношенных деталей турбокомпрессоров
Введение к работе
Ремонт сельскохозяйственной техники на 70-80% проводится; с использованием запасных частей' при этом простои машин из-за их отсутствия или: низкого качества приводят к большим потерям сельскохозяйственной: продукции. Стоимость запасных частей непрерывно» растёт и поэтому восстановление изношенных деталей с обеспечением их ресурса на уровне новых - один из самых эффективных путей'. экономии средств. По данным ГОСНИТИ 85% деталей, при их дефектации, имеют износ не более 0,3 мм, то есть их работоспособность восстанавливается при нанесении покрытий незначительной толщины. Однако ресурс восстановленных деталей; по сравнению с новыми деталями, во многих случаях остается низким.
В' то же время; имеются такие примеры, когда ресурс деталей, восстановленных прогрессивными способами, в несколько раз выше ресурса новых деталей. При выборе способа восстановления деталей необходимо обеспечить высокое качество< покрытий, низкую себестоимость, процесса, минимальный расход материалов, трудо- и энергозатрат. При этом.следует сосредоточить свое внимание на таких способах, которые повышают надежность не только детали, но и всей сборочной единицы в целом.
Основная тенденция развития современных тракторных и комбайновых, двигателей - повышение агрегатных, мощностей: при практическом сохранении их массы и габаритов за счет применения турбонаддува. Высокие технико-экономические показатели газотурбинного, наддува, как способа повышения мощности на 15...30%, обусловили широкое применение его, в автотракторных и комбайновых двигателях. В* настоящее время газотурбинным наддувом снабжены: все комбайновые и многие тракторные двигатели (СМД-60/6Г, СМД-62/63, СМД -64/65, СМД-66/67, СМД-31/32, СМД-17/18 и др.). Для наддува этих двигателей используются турбокомпрессоры типоразмеров: ТКР - 11 (с наружным; диаметром колеса
компрессора Dk=1 10 мм.), ТКР-9 (с Dk=90 мм),ТКР'- 8,5 (с Dk=85 мм.), ТКР
- 7 (с Dk=70 мм.).
І»
Опыт эксплуатации турбокомпрессоров типа ТКР 11,
устанавливаемого на двигатели СМД-60/61, СМД-62/63, СМД-64/65; СМД-
66/67, СМД-31/32, СМД-17/18, ЯМЗ-238НБ, ЯМЗ-240НБ показывает, что
данный; агрегат является наименее долговечным узлом. Так, по данным
ГОСНИТИ, количество отказов, турбокомпрессора составляет 2...13% от
всего количества отказов по двигателю. Ресурс отремонтированного
турбокомпрессора составляет лишь 62% от ресурса нового;
В настоящее время существует два основных направления при ремонте изношенных деталей" турбокомпрессоров. Наиболее распространенные методы - установка ремонтных деталей, метод: ремонтных размеров, пластической деформации. Реже применяется нанесение на поверхность слоя металла, компенсирующего величину- износа (гальванические, наплавочные методы).
Все существующие- методы наряду с преимуществами имеют определенные недостатки. При ремонте турбокомпрессоров необходимо восстанавливать детали, изготовленные их различных материалов (стали, бронза, алюминиевый сплав) и разной конфигурации і (плоскости, цилиндрические наружные и внутренние поверхности). В связи с этим, для восстановления изношенных, деталей, необходима большая; номенклатура применяемого оборудования.
Поэтому актуальной; задачей является, поиск новой технологии ремонта турбокомпрессора; обеспечивающей не менее чем 90% послеремонтный ресурс изделия.
Этим требованиям отвечает метод электроискровой обработки:(ЭИО),
позволяющий получать поверхности с улучшенными физико-механическими
и триботехническими свойствами. Но до настоящего времени, этот способ
0 для восстановления пар трения турбокомпрессоров не применялся.
Работа выполнена на кафедре технического сервиса машин института
механики и энергетики Мордовского государственного университета имени Н.П.* Огарева и лаборатории №11 ГНУ ГОСНИТИ РАСХН.
Цель исследования - повышение среднего межремонтного ресурса турбокомпрессоров ТКР11Н-1 за счет создания износостойких покрытий на изношенных поверхностях деталей- методом ЭИО, обеспечивающих снижение интенсивности изнашивания восстановленных пар трения в 1,2...3 раза.
Объект исследования - новые, поступившие на капитальный ремонт и отремонтированные турбокомпрессоры ТКР11Н-1.
На защиту выносятся:
- результаты, теоретических и-і экспериментальных исследований
дефектов и< износов: рабочих: поверхностей деталей; турбокомпрессоров,
позволяющие определить пути повышения его ресурса;
теоретические и методические предпосылки создания износостойких покрытий, обеспечивающих повышение ресурса сопряжения «вал ротора -подшипник» более чем в три раза;
критерии выбора технологических режимов ЭИО и. математическая модель связи толщины слоя металлопокрытия с ними;
результаты экспериментальных исследований физико-механических и триботехнических свойств покрытий, полученных ЭИО;
- технологический процесс ремонта турбокомпрессоров ТКР1Ш-1
восстановлением изношенных деталей методом ЭИО.
Научная новизна работы::
выявлены дефекты и закономерности износа рабочих поверхностей пар трения и образования зазоров в соединениях деталей;
на основе расчета - размерных цепей уточнены размеры деталей; определяющих зазоры в соединениях- «вал ротора1 - подшипник» и; «подшипник- отверстие среднего корпуса»;
*4№ - теоретически обоснованы необходимая толщина- и физико-
механические свойства электроискровых покрытий;
- уточнен обобщенный критерий выбора наплавочных материалов и
технологических режимов ЭИО;
- получена математическая модель связи толщины наносимого
покрытиях режимами ЭИО;
- экспериментально установлены рациональные режимы нанесения;
многослойных покрытий, обеспечивающие повышение износостойкости
восстановленных сопряжений;
- впервые метод ЭИО применен для восстановления пары;трения типа
«вал - втулка» с номинальной частотой вращения вала 45000 мин"1.
Методика исследований. Теоретические и экспериментальные исследования^ выполнены на основе, положений, законов; и методов математического анализа; теории размерных цепей, триботехники.
Обработка результатов исследований проведена с использованием методов математической статистики на ПК.
Практическая значимость работы заключается в разработке нового технологического процесса ремонта турбокомпрессоров ТКР11Н-1 восстановлением изношенных поверхностей; методом: ЭИО; обеспечивающего его послеремонтный ресурс на уровне нового агрегата.
Реализация результатов исследования. Результаты исследований внедрены в Учебно-научно-производственном центре Института механики и: энергетики МГУ имени Н, П. Огарева, а также в учебном процессе Института.
Апробация. Основные положения- и результаты работьг были: доложены на Международной научно-технической конференции «Новые методы ремонта и восстановления деталей сельскохозяйственных машин» (г. Саранск, 2001 г); Всероссийской научно-технической конференции «Организационные, философские и технические проблемы современных машиностроительных производств» (г. Рузаевка, 2001 г); Всероссийской; научно-технической конференции «Современные технологии, средства механизации и технического обслуживания в АПК» (г. Саранск, 2002 г); III
республиканской научно-практической конференции «Роль науки и инноваций в развитии хозяйственного комплекса региона» (г.Саранск, 2003 г); Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (г.Саранск, 2004 г.); Огарёвских чтениях Мордовского госуниверситета (г. Саранск, 2002 - 2004 г.г); на расширенном заседании кафедры технического сервиса машин ИМЭ МГУ имени Н.П. Огарева и на секции восстановления и упрочнения деталей ГОСНИТИ.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 12 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 182 страницах машинописного текста, включает 48 рисунков и 21 таблицы, список литературы содержит 104 наименования.
Автор выражает особую благодарность доктору технических наук профессору Бурумкулову Ф.Х. за общее руководство при написании диссертации, а также кандидатам технических наук доценту Величко С.А, доценту Ионову П.А за оказанные научные консультации:
Технологии восстановления изношенных деталей турбокомпрессоров
Основная тенденция развития современных тракторных и комбайновых двигателей - повышение агрегатных мощностей, при практическом сохранении их массы и габаритов, за счет применения турбонаддува, позволяющего значительно повысить их технический уровень [29]. Высокие технико-экономические показатели газотурбинного наддува, как способа повышения мощности на. 15.. .30%, обусловил и. широкое применение его в автотракторных и комбайновых двигателях; В настоящее время газотурбинным наддувом снабжены. все, комбайновые и многие тракторные двигатели (СМД-60/61, СМД 62/63,, СМД -64/65, СМД-66/67, СМД-31/32, СМД-17/18, ЯМЗ-238НБ, ЯМЗ-240Н и др.) [6,7,41]. Для;наддува этих двигателей используются = турбокомпрессоры (ТКР) типоразмеров: ТКР - LI. (с наружным диаметром колеса компрессора DK =110 мм), ТКР-9 (с Dg = 90 мм),ТКР - 8,5 (с DK = 85 мм), ТКР - 7 (с D = 70 мм). Турбокомпрессор состоит из вала ротора с рабочими-колесами турбины и компрессора,.вращающимися: в плавающем: подшипнике скольжения, неподвижных корпусных.деталей, подводящих: выпускные газы, отводящих нагнетаемы й воздух и обеспечивающих подачу см азки; в узел трен ия вала; а также уплотнительных устройств.
На всех турбокомпрессорах, применяются плавающие подшипники скольжения с вращающимися втулками (ВВ): или; качающимися; втулками (неподвижная цилиндрическая моновтулка - НМ) (рисунок 1.2). Плавающие подшипники менее склонны к автоколебаниям, чем неподвижные, обладают хорошими демпфирующими свойствами, более высокой виброустойчивостью и несущей способностью [9,86].
Узел подшипников с НМ; может работать при радиальных зазорах вдвое больших, чем узел подшипников с ВВ. [1] 1-корпус компрессора; 2-вставка, компрессора, 3-кольпо уплотнительное (компрессора),. 4-подшипник, 5-фиксатор, 6-вал ротора в сборе, 7:кольцо уплотнительное (турбины), 8-втулка, 9-вставка.турбины,, 10-колесо компрессора, 11 -маслоотражатель, 12-диск, уплотнения компрессора в сборе, 13-корпус средний; Л4-венец сопловой в сборе, 15-корпус турбины Рисунок 1.1 - Турбокомпрессор ТКР-ПН-2 в сборе.
Вал ротора сваривается с колесом турбины сваркой трением. После токарной обработки опорны е поверхности, сопрягаемые с поверхностью под-шипника подвергают закалке ТВЧ на глубину 1-3 мм, до:твердости HRC3 не менее 52. Затем на5 круглошлифовальном станке шлифуются профиль, наружный диаметр и торцы колеса турбины; поверхности, вала под втулку уплотнения, подшипник скольжения,.маслоотражатель, и колесо, компрессора. Ресурс как у нового; так.и у отремонтированного турбокомпрессора в сред нем на 20% ниже ресурса соответственно нового и: отремонтированного: двигателей.. Ресурс отремонтированного турбокомпрессора составляет 62% от ресурса нового. Слабыми звеньями ТКР являются сопряжения «вал ротора - подшипник» и «наружная поверхность подшипника - отверстие корпуса», долговечность которых определяет ресурс агрегата. Турбокомпрессоры, установленные на дизели, работают совместно с поршневыми двигателями и используют низкотемпературную часть общего теплового напора отработавших газов. Скорость вращения ротора ТКР зависит от количества, давления и температуры, поступающих от двигателя газов, которые в свою очередь, зависят от нагрузки двигателя и частоты вращения коленчатого вала. Номинальные частоты вращения роторов современных турбокомпрессоров достигают 60000 мин"1, максимальные — значительно выше. [100] Высокий скоростной режим работы турбокомпрессоров значительно ужесточает условия работы, как самого ротора, так и контактирующих с ним деталей. Рабочие колеса турбокомпрессоров подвергаются действию центробежных сил и пульсирующего давления газов. Под действием переменных усилий возникают вибрации диска и лопаток [86]:
В наиболее тяжелых. условиях работает колесо турбины, испытывающее действие высоких нестабильных температур и скачков давления. Температура газов перед турбиной при длительной работе достигает 700Є, температура корпусных деталей достигает 107,.Л47С со стороны компрессора и 670:..720С со стороны турбины [1]. Одной из причин потери работоспособности ТКР является разрушение турбинных колес из-за потери устойчивости работы; на некоторых режимах, приводящих; к помпажу,. при котором возникают резкие периодические колебания давления и расхода воздуха. [35,40] При помпаже происходит значительное увеличение амплитуды вибрации І лопаток и накопление в них усталостных повреждений. [30,37] Втулка подшипников ТКР воспринимает нагрузку, при вращении; вала ротора; как в радиальном, так ив осевом направлениях. Смазка подшипников осуществляется принудительной подачей масла под давлением из системы смазки; двигателя; Схема торцового подвода смазки к рабочим поверхностям подшипника ТКР двигателей семейства СМД представлена на рисунке 1.26. На подшипники ТКР в радиальном направлении действуют: вес ротора, сила от давления отработавших газов, переменная по величине и постоянная по направлению центробежные силы неуравновешенных масс ротора, силы от гироскопического момента, центробежные силы, возникающие вследствие прецессии.вала ротора. В работе [86] показано, что при рассмотрении внешних сил, действующих на подшипники, можно учитывать,только центробежные силы, так как остальные составляют 2...3% от суммы центробежных сил. Силы от неуравновешенных масс,ротора зависят в основном от точности : его балансировки. Вал ротора в подшипнике: вследствие сил, возникающих от дисбаланса, при установившемся режиме работы описывает некоторую замкнутую траекторию, близкой к круговой.
Способы повышения долговечности подшипникового узла турбокомпрессоров с не вращающейся моновтулкой
При традиционном способе ремонта турбокомпрессор, как правило, комплектуется тремя категориями деталей: бывшими в эксплуатации, восстановленными и из числа запасных частей. Поэтому его надежность будет определяться не только качеством сборки и обкатки, но и количественным соотношением этих деталей и их качеством. При этом существенное значение имеет, с какой поверхностью взаимодействует восстановленная поверхность - новой или частично изношенной, так как от свойств поверхности взаимно расположенных материалов зависит задиростойкость и износостойкость сопряжения. По данным [79,95] ресурсы последовательно заменяемых в процессе эксплуатации деталей до двух раз ниже, чем ресурсы тех же деталей, устанавливаемых в новое изделие, а коэффициенты вариации больше до 1,8 раза. Следовательно, из -, объективных условий эксплуатации отремонтированных турбокомпрессоров вытекает, что PcM6p(t TH) P (t T„), где P (t TK) - вероятность безотказной работы, нового турбокомпрессора в рядовых условиях эксплуатации. В пределе показатели надёжности отремонтированных изделий, даже укомплектованных новыми деталями, будет ниже, чем у новых машин. Для того, чтобы соблюдалось условия P%(tzTH)- P%{t TK), во-первых, остаточные средние ресурсы Т0(ГГ повторно используемых и восстановленных Тв деталей должны быть больше среднего ресурса Тн нового агрегата; во-вторых, если имеются технологии восстановления размеров изношенных деталей! с ресурсами выше Тн, то целесообразно новые детали для ремонта не применять. В турбокомпрессоре (рисунок 1-.1)-девять сопряжений, подвергающихся изнашиванию, одно из которых подвергаются фретшнг-коррозии, четыре торцовому трения, одно трению в режиме вращательного движения в смазочной среде, два возвратно-поступательному движению, одно кавитацио-оному, пять гидроабразивному изнашиванию. В связи с тем, что известны значения доремонтного и межремонтного средних ресурсов турбокомпрессоров [49], коэффициенты повторяемости дефектов (см. таблицу 4.1), законы распределения износов рабочих поверхностей (таблица 4.4) после доремонтной эксплуатации, оценку ресурса восстановленных сопряжений можно провести двумя способами: Среднее число ремонтов турбокомпрессоров до списания, в основном, определяется вероятностью их- выбраковки в процессе и после доремонтной. эксплуатации и после межремонтной эксплуатации; В свою очередь вероятность выбраковки турбокомпрессоров зависит от уровня технологии?восстановления параметров изношенных деталей. Анализ внешних сил, действующих на подшипники, показывает, что для оценки нагрузки на подшипниковый узел можно учитывать только центробежные силы, так как остальные силы составляют 2-3% от суммы центробежных сил и ими можно пренебречь [1]. Экспериментальные исследования режимов работы вала ротора в подшипниках турбокомпрессора ТКР-8,5 подтверждают, что ротор вращается с перекосом в подшипниках и совершает прямую синхронную прецессию. На рисунке 2А представлены осциллограммы изменения; толщины масляного; слоя в турбинном и компрессорном подшипниках в установившихся режимах работы [86].
В подшипниковом узле скольжения турбокомпрессора гидродинамическое действие масла проявляется при самой малой скорости скольжения. Как отмечалось в 1 главе одним из наиболее неблагоприятных эксплуатационных режимов работы двигателя; влияющих на надежность узла подшипников ТКР, является режим пуска, особенно - при отрицательных температурах. В этих условиях значительно задерживается поступление масла к подшипникам. Стабильное давление смазочного материала обеспечивается не ранее чем через 30 секунд после пуска двигателя. Недостаточное количество масла приводит к изменению гидродинамического режима работы подшипника, то-есть возникает,режим граничного или полусухого трения. Следовательно, в узле подшипников с плавающей не вращающейся моновтулкой по мере уменьшения зазора в паре трения «вал ротора- под-шипник» (внутренний зазор) и роста зазора «подшипник — корпус» (наружный зазор) стабилизируется вращение ротора (происходит сближение положения оси вала с осью подшипника).
Так как у подшипникового узла турбокомпрессора ТКР 11Н-1 наружный зазор составляет 0,060-0,098-мм при среднем значении 0,079 мм, то при этих значениях зазора величина А изменяется от 0,51до 0,3, при среднем значении 0,4 (рисунок 2.6). Технологический зазор в паре трения «вал ротора -подшипник» составляет 0,07 - 0,09 мкм [92], следовательно, исходное значение А = 0,275 -0,35. Средняя интенсивность изнашивания пары трения «вал ротора — подшипник» в 3,78;раза выше интенсивности изнашивания пары трения, «подшипник—корпус» (см. п. 4.1). В процессе эксплуатации? внутренний зазор изменяется; в среднем от 0,08 мм до 0,35 мм(см. п. 4.1), следовательно, текущее перемещение конца вала ротора; может приблизиться, а затем превысит максимальное значение перекоса ротора в подшипниках, собранных без смазочного материала. Тогда втулка теряет способность к перемещению в радиальном направлении, и ротор прижимается к втулке с силой; приводящей к деформации внутренней поверхности и интенсивному её изнашиванию.
Методика триботехнических лабораторно-стендовых испытаний моделей серийных и восстановленных пар трения
Выбор материала электрода и технологических режимов ЭИО проводится для каждого коніфетного материала, размеров и профиля поверхности восстанавливаемой детали и вида обработки (ручная или механизированная). Для, проведения эксперимента по нанесению поверхностного слоя методом ЭИО изготавливались малые модельные образцы, имитирующие изнашиваемые поверхности. Образцы изготавливались из тех же материалов, что и соответствующие детали ТКР, подвергались такой же термической обработке (для образцов, имитирующих вал ротора- закалка ТВЧ), а также из выбракованных деталей ТКР. Диаметр и шероховатость образцов соответствовали диаметрам и шероховатости деталей подлежащих восстановлению.
Были изготовлены следующие образцы: 1) Кольца из стали 40Х (вала ротора) наружным диаметром 18 мм, внутренним диаметром 9 мм, шириной 5 мм. Шероховатость поверхности образца составляла Ra = 0,32 мкм; 2) Кольца из бронзы БрОС-10-10 (втулки подшипников) наружным диаметром 32 мм, внутренним диаметром 18 мм, шириной 6 мм. Шероховатость поверхности составляла Ra= 0,32 мкм.; 3) Плоские образцы размерами 3 0х20х 10 мм из стали 4 ОХ; вышедшие из строя и спрессованные,с вала ротора втулки уплотнений, выпрессованные из среднего корпуса втулки, маслоотражатели. Перед нанесением покрытия поверхность образца обезжиривалась ацетоном. Затем образцы взвешивались и измерялись. Исходные данные заносились в таблицу протокола эксперимента.
Площадь нанесения 1см . Нанесение производили по 1 минуте, после каждой минуты фиксировались: общая толщина нанесенного слоя, изменение массы образца и электрода, сплошность слоя..Обработка продолжалась до получения максимальной толщины покрытия, и фиксировалось начало ее уменьшения. Изменение толщины слоя определяли с помощью индикаторной головки с пределами измерения 1мм и ценой деления 1мкм; массы образцов и электродов на весах ВЛР-200; сплошность покрытия микроскопом МИМ-8 с 24,5 кратным увеличением объектива. Всеизмерения проводили с трехкратной повторяемостью. После каждого опыта образцы обезжиривали ацетоном, взвешивали и измеряли. С помощью микроскоп МИМ-8 оценивали качественные показатели поверхностного слоя: сплошность, раковины, непровары. Первичная обработка результатов эксперимента состояла в определении толщины слоя металлопокрытия и сплошности покрытия образцов..Результаты замеров и первичной обработки заносились в соответствующие карты протокола эксперимента. Все опыты проводились с трехкратной"-. повторяемостью; Результаты усреднялись. Результаты исследований по выбору рациональных, технологических: режимов электроискровой обработки и анализ экспериментальных зависимостей, описывающих процесс, представлены в параграфе 4.2. Для оценки качества и прогнозирования работоспособности нанесенного слоя необходимо провести металлографические исследования полученного покрытия для различных материалов. Исходные параметры исследуемых образцов приведены в параграфе 4.3.
Для проведения металлографических исследований из образцов, с на несённым на них электроискровым покрытием, изготавливали микрошлифы по стандартной методике в соответствии с ГОСТ 2789-73 [VI]. Подготовка шлифов велась на шлифовальной машине марки ЗЕ 881. Для выявл єни я микроструктуры зоны соединения основного металла с покрытием образцы травили в 4% водном растворе азотной кислоты в.течение,5...7 с. После травления образцы, промывались проточной водой и просушивались. Исследования микроструктуры полученных шлифов проводили при увеличении в 300 раз с помощью микроскопа МИМ-8. К испытаниям на этапе приработки допускали образцы, если площадь их взаимного прилегания при установке на испытательной машине составляла не менее 90% от номинальной расчетной; поверхности контакта. Взаимная предварительная приработка образцов проводилась непосредственно на машине трения под нагрузкой меньшей, чем прилагаемая на испытаниях. После обеспечения указанного прилегания образцы маркировали, промывали в бензине ил и ацетоне, высушивали и дал ее подвергали взвешиванию. Взвеши ванне каждого образца осуществляли 3 раза. Взвешивание производили на аналитических весах модели ВЛР-200, с ценой деления 0,05 мг.
Подготовленные образцы устанавливали на машину трения 2070 СМТ-1 (см. рисунок 3.8). Задавали необходимый режим подачи масла в зону контакта. Приводили в движение подвижный образец с частотой, обеспечивающей заданную скорость скольжения, после чего к образцам пары трения прикладывали предусмотренную испытаниями нагрузку. Приработка проводилась при средней скорости относительного скольжения 0,08 м/с. Режим смазки — граничное трение; подача смазки - разовая в картер; режим смазывания - окунанием; После завершения каждой ступени нагружения нагрузка снималась, и образцы тщательно осматривались и взвешивались. Операция притирки позволяет увеличить площадь прилегания контактирующих поверхностей ролика и колодки. Длительность притирки - 3 часа. В процессе приработки, при постепенном.повышении нагрузки, определяли максимальную нагрузку (Рмп),.характеризующую предзадирное состояние. Затем, не вводя образцы в состояние задира (схватывания), нагрузку ступенчато снижали. В процессе снижения нагрузки определяли, так называемую, оптимальную нагрузку (Р п) при которой коэффициент трения f минимален. Интенсивность изнашивания пары в целом Jj; определяли как сумму интенсивностей изнашивания элементов пары J = Jp + J . Траектория перемещения -.. конца, вала: состоит из высокочастотных колебаний, соответствующих частоте вращения- вала,- и низкочастотных, являющихся результатом вибраций во внутреннем и наружном слое смазочного материала: узла подшипников [86,1], Неуравновешенные массы, ротора ТКР при вращении вызывают центробежные силы Рц и моменты Мц, которые создают основную нагрузку на опоры и являются причиной вынужденных колебаний вала. Следовательно, одним из; важных технологических факторов, обеспечивающих надежность турбокомпрессоров, является динамическая s уравновешенность роторов, которая; может быть, оценена величиной-дисбаланса.. У турбокомпрессоров же вышедших из ремонта величина дисбаланса; роторов-зачастую превышает допустимую величину.. Так,- например; дисбаланс, роторов турбокомпрессоров СМД ТКР11Н-1, СМД.ТКР1Ш-2,; идущих на сборку на Еманжелинском ремонтном заводе Челябинской области достигает 0,27 г-см при допустимом І 0,2 г-см [ 11]. Основными причинами некачественной і балансировки; роторов являются: недостаточная квалификации, рабочих, неисправности: балансировочного оборудования, а также нарушения технологического процесса балансировки роторов.
Рациональные технологические режимы ЭИО изношенных деталей турбокомпрессоров
В узле подшипников наибольшим износам подвергаются поверхности бронзового подшипника, имеющего невысокую твердость, контактирующие с вращающимися деталями ротора. Величина износа отверстия под вал ротора больше со стороны торцов подшипника - в сечениях 1, 4. Это связано с перекосом вращающегося ротора. Также износ со стороны колеса турбины больше, чем со стороны колеса компрессора, что связано с большим биением тяжелого колеса компрессора. Износ по наружному диаметру также неравномерен, эпюра износа подшипника имеет бочкообразную форму (в сечениях 1, 4 см. рисунок 3.3 величина износа больше). На наружной поверхности подшипника присутствуют следы кавитационных явлений в виде поперечных и продольных борозд и раковин. Износ отверстия под фиксатор больше в поперечном сечении, чем в продольном. Такой характер износа связан с «попытками» повернуть подшипник, при задевании, вращающимся ротором за поверхности втулки подшипников. Эпюры износа опорной поверхности вала ротора имеют конусообразную форму. Износы в сечениях 1, 4 (см. рисунок 3.2), располагающихся ближе к концам вала, больше, чем в середине. Причем износ шейки вала со стороны колеса турбины больше, чем со стороны колеса компрессора в связи с воздействием больших центробежных сил от неуравновешенных масс тяжелого колеса турбины. У втулки ротора изнашиваются также канавки под уплотнительные кольца по ширине. У отверстия среднего корпуса под подшипник наибольший износ наблюдается в сечениях 2, 3 (см. рисунок 3.5), расположенных ближе к,проточке между опорными шейками, что, вероятно, связано с кавитацией при истечении масла под давлением через отверстие небольшого сечения.
Отверстия под уплотнительные кольца среднего корпуса и диска уплотнения компрессора изнашиваются не по всей длине, а лишь в местах перемещения ушютнительных колец в продольном направлении. Износ поверхностей под уплотнительные кольца среднего корпуса больше, чем у диска уплотнения. Это связано с большими амплитудами вибрации ротора: со стороны более тяжелого колеса турбины и, вероятно, со снижением твердости втулки (в среднем корпусе) из-за многократного нагрева до температуры отпуска стали, во время длительной работы под нагрузкой. Поверхность фиксатора, контактирующего с подшипником, сильнее изнашивается в направлении перпендикулярном: оси ротора. Это связано с попытками-ротора, при: вращении, повернуть подшипник, чему, и препятствует фиксатор. Маслоотражатель изнашивается по высоте, а также изнашивается канавка под уплотнительное кольцо по ширине. Помимо линейного износа на поверхности маслоотражателя, обращенной к подшипнику, присутствуют концентрические риски, глубиной до 0,3 мм. Предварительно измерялась высота уплотнительных колец. У них изнашивается торцовая поверхность, контактирующая- с боковыми стенками канавок, а также наружная цилиндрическая поверхность от перемещения в продольном направлении. Однако по техническим требованиям на капитальный ремонт они подлежат 100% замене, так как во время эксплуатации от действия высоких температур теряют свои упругие свойства, поэтому в дал ьнейшем измерения н е проводились.
Анализируя принцип работы турбокомпрессора и по данным. первичной дефектации можно сделать следующие выводы, что такие дефекты, как следы задевания втулки ротора за неподвижные детали (дефект №3, табл. 4.1), следы задевания колеса турбины за неподвижные детали (№5, табл. 4Л), следы задевания наружной поверхности маслоотражателя за диск. уплотнения (№17, табл. 4.1) являются следствием увеличения радиального зазора подшипникового узла: дефекты № 1,.9, (см. табл. 4.1) - увеличение зазора в сопряжении «вал ротора - подшипник» и 7, 11(см. табл. 4.1) —увеличение зазора в сопряжении «подшипник - корпус средний»
Увеличение зазора в сопряжении «фиксатор - отверстие.подшипника» (дефекты №10 и №14, см. табл 4.1), износ торцевых поверхностей подшипника (дефект № 12, см. табл. 411) и износ маслоотражателя по высоте (дефект №15, см; табл. 4.1) приводят к увеличению осевого люфта ротора1 и задеванию радиусной частью лопаток колеса турбины и компрессора за неподвижные детали. Увеличение осевого люфта ротора также вызывает усиленный износ уплотнительных колец по наружному диаметру и сопрягаемых с ними поверхностей: диска уплотнения компрессора под уплотнительные кольца (дефект № 13, см. табл. 4.1) и поверхности среднего корпуса (втулки) под уп-лотнительные кольца (дефект №8, см. табл. 4.1). По результатам первичной обработки микрометражных данных были определены основные статистические параметры распределений размеров деталей (таблица 4.2) и построены графики функций распределения размеров (рисунки 4.2, 43, приложение 2). На графиках поля допусков на изготовление деталей выделены штриховкой, величина Djcp, d;cp, Ljcp - среднее значение соответствующего размера, мм. Обработка данных производилась на ПЭВМ, с использованием пакетов программ Stat, Statgrafe, Excel. Для определения толщины слоя металлопокрытия, необходимого для восстановления изношенных деталей турбокомпрессора, исследовались их линейные износы. При измерении деталей ТКР, вышедших из строя, невозможно получить достоверные данные об их первоначальных размерах. Для решения задачи исходили из предположения, что после изготовленияразме-ры деталей находятся в пределах поля допуска на изготовление. Поэтому статистической обработке подвергались не действительные величины изно-сов, а выход размера за пределы поля допуска (далее по тексту будем называть их износами). По результатам статистической обработки данных линейных, износов составлена таблица 4.4 и построены графики функций плотности распределения износов (рисунок 4.4, приложение 2). Так как коэффи циенты вариации параметров износа; находятся в пределах v = 0,52-0,74, предположили, что они подчиняются закону распределения Вейбулла [5]. Проверка по критерию согласия подтвердила наши предположения.
