Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 8
1.1. Использование высокопрочного чугуна для изготовления коленчатых валов автотракторных двигателей 8
1.2. Условия работы и старение коленчатых валов двигателей ЗМЗ-53 10
1.3. Роль контроля качества восстанавливаемых чугунных коленчатых валов в повышении их долговечности 13
1.4. Методы восстановления чугунных коленчатых валов 16
1.5. Долговечность восстановленных коленчатых валов ЗМЗ-53 и способы ее повышения 22
1.6. Задачи исследований 25
2. ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 27
2.1. Структура исследовании 27
2.2. Определение рассеивания долговечности коленчатых валов ЗМЗ-53 30
2.3. Методика и установки для наращивания металлопокрытий и упрочнения валов 37
2.4. Методические вопросы исследования эксплуатационных свойств коленчатых валов 40
2.5. Математическая обработка экспериментальных данных І 45
3. СТАРЕНИЕ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ЗМЗ-53 И ТРЕБОВАНИЯ К ИХ, КОНТРОЛЮ 49
3.1. Порядок проведения исследований 50
3.2. Наработка двигателей 55
3.3. Износы и деформации коленчатых валов 61
3.4. Усталостная прочность коленчатых валов, восстановленных способом ремонтных размеров 68
3.5. Распространение трещин в восстановленных коленчатых валах 73
3.6. Методика контроля качества восстанавливаемых коленчатых валов 79
3.7. Выводы 86
4. ПОВЬШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ КОЛШЧАТЫХ
ВАЛОВ ЗМЗ-53 ОПТИМИЗАЦИЕЙ РЕЖИМОВ НАРАЩИВАНИЯ
МЕГ АЛЛОПОКРЫТ ИЙ 89
4.1. Порядок проведения исследований 91
4.2. Оптимизация режимов осаждения электролитических покрытий 97
4.3. Оптимизация режимов широкослойной наплавки НО
4.4. Сравнительные исследования эксплуатационных свойств восстановленных коленчатых валов ЗМЗ-53 ИЗ
4.5. Выводы 118
5. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ УПРОЧНЕНИЯ
ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ЗМЗ-53 120
5.1. Порядок проведения исследований 121
5.2. Эффективность упрочнения восстанавливаемых деталей из высокопрочного чугуна с концентраторами напряжений 123
5.3. Упрочнение восстанавливаемых коленчатых валов 136
5.4. Выводы 141
6. РЕАЛИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА... 143
6.1. Разработка рекомендаций по повышению долговеч
ности восстановленных коленчатых валов ЗМЗ-53
и результаты опытной проверки 143
6.2. Оценка технико-экономической эффективности разработанных рекомендаций 146
6.3. Выводы 149
ОЩИЕ ВЫВОДЫ 150
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ..153
ПРИЛОЖЕНИЯ 168
- Использование высокопрочного чугуна для изготовления коленчатых валов автотракторных двигателей
- Определение рассеивания долговечности коленчатых валов ЗМЗ-53
- Износы и деформации коленчатых валов
- Оптимизация режимов осаждения электролитических покрытий
- Эффективность упрочнения восстанавливаемых деталей из высокопрочного чугуна с концентраторами напряжений
Введение к работе
В Продовольственной программе СССР, известных Постановлениях ЦК КПСС и СМ СССР первостепенное внимание уделяется необходимости более эффективного использования сельскохозяйственной техники, поставлена задача повышения ресурса отремонтированных машин и агрегатов до уровня новых. Особое значение в системе этих мероприятий цриобретает решение вопросов совершенствования технологических процессов восстановления ответственных тяжелонагруженных деталей, например, коленчатых валов, определящих долговечность отремонтированных двигателей.
Потребность в восстановлении чугунных коленчатых валов автотракторных двигателей остро ощущается в настоящее время вследствие все большего их распространения и значительной нехватке поставляемых промышленностью в качестве запасных частей.
Технологические процессы, разработанные в свое время для восстановления стальных коленчатых валов, оказались неприемлемыми для чугунных из-за изменения условий эксплуатации, а также вследствие присущих этому материалу специфических свойств.
Известные рекомендации по повышению долговечности чугунных коленчатых валов, требующие применения сложного дефицитного оборудования и материалов, как правило, оказываются недостаточно эффективными и не находят широкого распространения на ремонтных предприятиях, так как не учитывают особенностей старения этих деталей. Практикой эксплуатации установлено значительное снижение ресурса восстановленных чугунных коленчатых валов, в частности, двигателей ЗМЗ-53, из-за низкой износостойкости и усталостной прочности.
В связи с этим разработка научно обоснованных высокопроизводительных технологических процессов восстановления чугунных коленча-
5 тых валов, обеспечивающих их высокие эксплуатационные показатели, представляется актуальной проблемой современного ремонтного производства.
Настоящая работа посвящена решению вопросов повышения долговечности восстановленных чугунных коленчатых валов двигателей широко используемых в сельскохозяйственном производстве автомобилей ГАЗ-53 с учетом особенностей их старения.
Уточнена методика и установлены закономерности рассеивания долговечности коленчатых валов, вызванные процессами усталости и износа, позволившие уточнить характер ремонтных воздействий на различных этапах их восстановления.
Разработана методика дефектовки чугунных коленчатых валов, основанная на использовании эффекта акустической эмиссии, которая позволяет контролировать кинетику накопления усталостных повреждений при циклическом нагружении валов и обеспечивает с высокой точностью обнаружение опасных развивающихся трещин.
Проведены исследования по оптимизации технологических режимов наращивания гальванических и наплавочных покрытий, а также упрочнения чугунных коленчатых валов поверхностным пластическим деформированием в процессе их восстановления.
В работе используется критериальный метод исследования, базирующийся на основе теории подобия и размерностей. Оптимизация технологических процессов наращивания металлопокрытий и упрочнения валов проводилась с применением математического планирования экспериментов. Такой подход позволил установить ряд закономерностей, с помощью которых представилась возможность в определенной мере прогнозировать долговечность восстановленных чугунных коленчатых валов двигателей ЗМЗ-53.
Достоверность полученных данных подтверждается обоснованным выбором количества объектов исследований, необходимой повторностьго опытов, использованием современных методов и аппаратуры, а также положительными результатами натурных испытаний и эксплуатацией на протяжении ряда лет восстановленных коленчатых валов ЗМЗ-53 в автохозяйствах.
Результатом исследований явилась разработка научно обоснованных рекомендаций по повышению долговечности коленчатых валов ЗМЗ-53, реализованных в технологическом процессе их комбинированного восстановления. Оценка экономической эффективности и производственная проверка подтвердили целесообразность внедрения разработанных рекомендаций, которое осуществлено в Егорьевской РСХГ Московской области, а также на предприятиях РПО АЛ "Молдавторе-монт" Министерства автомобильного транспорта МЗСР.
На защиту выносятся:
Методика определения и установленные закономерности рассеивания долговечности коленчатых валов ЗМЗ-53 в связи с процессами усталости и износа.
Методика контроля качества и оценки остаточного ресурса коленчатых валов ЗМЗ-53,основанная на использовании акустической эмиссии.
Установленные закономерности влияния основных технологических режимов наращивания металлопокрытий и упрочнения галтель-ных переходов поверхностным пластическим деформированием на эксплуатационные свойства восстановленных коленчатых валов ЗМЗ-53.
Технологические приемы и режимы, обеспечивающие повышение долговечности восстановленных коленчатых валов ЗМЗ-53 с учетом особенностей их старения.
Работа выполнялась в Кишиневском ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственном институте им. М. В.Фрунзе в период 1974...1983 гг. и является составной частью комплексных исследований, проводимых в соответствии с координационным планом научно- исследовательских работ ГК Сельхозтехники СССР по проблеме "Исследование и разработка прогрессивных способов повышения долговечности сельскохозяйственной техники" (№ Госрегистрации 77024485) и решением координационного Совета по проблеме восстановления коленчатых валов автотракторных двигателей в системе ГК Сельхозтехники СССР.
Результаты исследований регулярно докладывались на постоянно действующем семинаре кафедр "Ремонт машин", "Сопротивление материалов и детали машин" и "Технология металлов" КСХИ им. М.В.Фруязе, Всесоюзных и республиканских конференциях, демонстрировались на ВДНХ СССР и отмечены Бронзовой медалью.
Автор выражает искреннюю благодарность всем специалистам за ценные замечания и советы при обсуждении работы.
Использование высокопрочного чугуна для изготовления коленчатых валов автотракторных двигателей
Высокие технологические и эксплуатационные свойства высокопрочных чугунов (ВЧ) обусловили возможность их использования для изготовления широкой номенклатуры деталей тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин /I...3 и др./. По данным /4/ до одной трети деталей по весу трактора либо автомобиля можно изготавливать литьем из ВЧ.
Одним из наиболее перспективных направлений применения ВЧ в сельскохозяйственном машиностроении является производство ответственных тяжелонагруженных деталей, испытывающих в процессе работы знакопеременные нагрузки /3,5...7 и др./. Объясняется это хорошими литейными свойствами ВЧ, что позволяет получать заготовки деталей, в частности, коленчатых валов, оптимальных конструктивных форм, и, вследствие этого, повысить их прочностные показатели при снижении веса /8/. Необходимо также отметить высокие физико-механические свойства ВЧ: ударная вязкость их в 3...40 раз выше, чем у серых чугунов /1,9/, отношение показателей циклической вязкости Стали 45:ВЧ:СЧ = 7:3:1,5 /6,10/, модули упругости на 10...25$ ниже в сравнении с конструкционными сталями /1,9,11/, что уменьшает чувствительность чугунных валов к несоосности опор /8,12/.
Физико-механические свойства ВЧ связываются в ряде работ с шаровидной формой графита и равномерным распределением элементов модификаторов /1,13/, а также структурой металлической основы /6,7/. Разработаны высокопроизводительные способы регулирования формы графитовых включений и структуры матрицы, позволяющие получать ВЧ с заданными свойствами /1,6,14/.
В настоящее время для изготовления коленчатых валов автотракторных двигателей используются ВЧ 50-2, ВЧ 60-2 и ВЧ 70-3 (ГОСТ 7293-70). Усталостная прочность образцов с концентраторами напряжений из этих чугунов на 30...Ъ0% выше, чем у Стали 45 /4,15/, а пределы выносливости новых коленчатых валов примерно равны /6,7,15,16 и др./.
Износ нормализованных перлитных ВЧ в 1,7...3,4 раза ниже, чем закаленной стали /6,7,9 и др./, что объясняется рядом факторов: наличием на поверхности вскрытых графитовых включений, которые служат смазкой /1,6,17 и др./, количеством феррита в матрице /7,18/, лучшей очисткой масла центрифугированием в полых шатунных шейках /6,9/.
Определение рассеивания долговечности коленчатых валов ЗМЗ-53
Существующие методики оценки рассеивания долговечности коленчатых валов /37,38/ в связи с рядом неправомерных допущений (см.1.2.) не позволяют с требуемой точностью оценить процессы их старения.
В связи с вышеизложенным ниже приведены расчетные зависимости для определения рассеивания долговечности валов по результатам эксплуатационных наблюдений.
Методика основана на решении следующих вопросов:
1. Оценки убыли коленчатых валов вследствие характерных дефектов.
2. Оценки вероятности отказов коленчатых валов в различные межремонтные периоды.
3. Определении связи между наработкой валов и ремонтными размерами их шеек.
Введем основные обозначения.
Пусть п - номер капитального ремонта, а т - номер ремонтного размера (расчет проводим для коренных опор коленчатого вала ЗМЗ-53, так как характер их износов лимитирует ресурс шатунно -кривошипного механизма двигателя /24. ..2 7/). Тог да Рпт -вероятность перешлифовки на /? -ом ремонте на /я-ый ремонтный размер (коленчатые валы ЗМЗ-53 имеют шесть ремонтных размеров:
В результате эксплуатации в доремонтный период валы попадают на капитальный ремонт її І (п= І), в процессе которого часть из них с вероятностью PJJ шлифуется на первый ремонтный размер Р I, с вероятностью Pj2 - на Р2 и т.д. Часть валов с вероятностями Рт_ и Ртхп соответственно восстанавливается в процессе первого капитального ремонта металлопокрытиями и выбраковывается
Износы и деформации коленчатых валов
Шатунные шейки в зависимости от продолжительности эксплуатации двигателя изнашиваются с постоянно возрастающей скоростью (рис.3.7.) вследствие увеличения продуктов износа в сопряжении и старения масла /27/.
Износ коренных шеек наряду с вышеуказанными причинами в значительной мере обусловлен происходящей при старении деформацией блока цилиндров и коленчатого вала, что вызывает, как отмечается в /28/, резкое увеличение удельных давлений в сопряжении "коренные шейки-вкладыши". Наибольшее увеличение темпа износа коренных шеек происходит в I...2 межремонтные периоды, а затем наблюдается стабилизация этого показателя.
Прогибы коленчатых валов ЗМЗ-53, поступающих в капитальные ремонты, превышают допустимые значения - 0,05 мм (рис.3.8.). Коленчатые валы, поступившие в 1-й и 2-й капитальные ремонты, имеют в основном прогибы, исправляемые шлифованием, тогда как при последующих ремонтах практически все валы требуют сложной дорогостоящей операции горячей правки /122/, которая приводит к снижению их прочностных свойств. Изменение прогибов коленчатых валов в зависимости от продолжительности эксплуатации представлено на рис.3.9.
class4 ПОВЬШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ КОЛШЧАТЫХ
ВАЛОВ ЗМЗ-53 ОПТИМИЗАЦИЕЙ РЕЖИМОВ НАРАЩИВАНИЯ
МЕГ АЛЛОПОКРЫТ ИЙ class4
Оптимизация режимов осаждения электролитических покрытий
В работе /75/ проведены исследования раздельного влияния параметров электролиза из сульфатно-хлористого электролита на ИГОРИ (Дк,&;В ) на прочность сцепления, износостойкость и выносливость железненного ВЧ 50-2. Однако в производственных условиях для получения покрытий толщиной 1,0...1,2 мм процесс электролиза интенсифицируют повышением плотностей тока. В связи с этим особый интерес представляет изучение совместного влияния коэффициентов d и ft при максимальных значениях Дк на эксплуатационные свойства восстановленных коленчатых валов ЗМЗ-53.Х
Полученные уравнения влияния Ди ( X,), cL (X?) и ft ( Х3) (табл. 4.3., 4.4., Приложение 6) на прочность сцепления (4.3.), из-аос (4.4.) и усталостную прочность (4.5.) позволили установить, что режимы электролиза для получения оптимальных значений 6"Сц (МПа),# 0и 61/МПа) не совпадают.
class5 ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ УПРОЧНЕНИЯ
ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ЗМЗ-53 class5
Эффективность упрочнения восстанавливаемых деталей из высокопрочного чугуна с концентраторами напряжений
Для оценки эффективности упрочнения коленчатых валов ЗМЗ-53 на первом этапе проводилось исследование влияния режимов ППД на усталостную прочность деталей из высокопрочного чугуна с конструктивными и технологическими концентраторами напряжений.
Результаты усталостных испытаний упрочненных образцов из ВЧ50-2.
ВЧ60-2 и ВЧ70-3 с конструктивными концентраторами напряжений (галтелями радиусом 1,0...2,0 мм), представленные на рис.5.1., указывают на наличие четкой закономерности между величинами кри-терия/7 P/HV4R3K и эффективным коэффициентом упрочнения
Рв -ЩІ -і (Gy и 6-7 соответственно пределы выносливости серий упрочненных и неупрочненных образцов).
С ростом критерия от 0 до 2-10" наблюдается значительный прирост усталостной прочности гладких валов из ВЧ, упрочненных обкаткой шариками либо роликами, тогда как в интервале 2-Ю Щ 16-/0 2 изменение эффективного коэффициента упрочнения менее существенное. Несмотря на то, что имеет место разброс точек из-за неучета других факторов, можно утверждать, что для указанных марок высокопрочных чугунов (используемых для изготовления коленчатых валов автотракторных двигателей) и диапазона силового критерия максимальное приращение предела выносливости гладких образцов достигает 42$ (рис.5.1., кривая I).
Для подтверждения правильности высказанных предположений нами были рассчитаны значения силовых критериев по другим работам /16, 158/, в которых ранее исследовалась эффективность упрочнения обкаткой высокопрочных чугунов. Как видно из рис. 5.1., экспериментальные точки по работам /16,158/ достаточно близко расположены от кривой I (зависимость вэ f(fl/ ) для гладких образцов), что подтверждает ее правомочность и позволяет заранее выбрать оптимальный режим упрочнения гладких валов.
