Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 10
1.1 Анализ причин выхода из строя гильз цилиндров двигателей машин, используемых в сельском хозяйстве 10
1.2 Анализ существующих методов финишной обработки внутренних поверхностей гильз цилиндров ДВС 13
1.3 Использование методов поверхностного пластического деформирования для обработки гильз цилиндров ДВС 20
1.4 Динамические методы раскатывания гильз цилиндров ДВС 32
1.5 Общая методика исследований 37
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ШАРИКОВЫХ РАСКАТОК41
2.1 Некоторые теоретические предпосылки к исследованию работы традиционных статических раскаток 42
2.2 Работа деформирующих шариков традицонной раскатки 46
2.3 Анализ силового взаимодействия статически нагруженного деформирующего шарика с обрабатываемой поверхностью 52
2.4 Теоретическое решение проблемы возникновения значительных сдвигающих сил 56
2.4.1 Обоснование необходимости выполнения для деформирующих
шариков разгрузочной зоны 56
2.4.2 Конструкторское решение проблемы сдвигающих сил 57
2.4.3 Обоснование метода осциллирующих переменных давлений.,..59
2.5 Определение зон нагружения - разгрузки деформирующих
шариков 64
2.6 Работа деформирующих шариков раскатки, имеющей наклонную
орбиту их движения (с разгрузочной зоной) 69
2.7 Анализ напряженного состояния раскатываемого поверхностного
слоя при качении шарика по наклонной орбите 75
2.8 Выводы теоретических исследований 77
3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 79
3.1 Цель, задачи и программа экспериментальных исследований 79
3.2 Оборудование и приборы для проведения исследований 81
3.3. Частные методики экспериментальных исследований 83
3.3.1 Методика определения оптимальной шероховатости эксплуати-
ровавшихся гильз цилиндров, на примере двигателя ЗМЗ -53..83
3.3.2 Методика определения параметров шероховатости внутренних
поверхностей новых гильз цилиндров 84
3.3.3 Методика растачивания гильз цилиндров 84
3.3.4 Методика измерения параметров шероховатости 85
3.3.5 Методика тарировки узла нагружения 86
3.3.6 Методика обработки гильз цилиндров традиционным раскатыванием 87
3.3.7 Методика обработки гильз цилиндров методом осциллирующих
переменных давлений 88
3.3.8 Методика обоснования возможности увеличения дефомирующих
усилий при обработке гильз цилиндров 89
3.3.9 Методика подготовки поверхностей для проведения
микроструктурного анализа и определения микротвердости 90
3.3.10 Методика проведения микроструктурного анализа..... 92
3.3.11 Методика определения микротвердости 92
3.3.12 Методика обработки экспериментальных данных 93
3.3.13 Исследование процесса раскатывания методом осциллирующих
переменных давлений 95
3.3.13.1 Методика выявления наиболее значимых факторов при
раскатывании гильз цилиндров новым методом 96
3.3.13.2 Методика определения влияния усилий на качественные
показатели обрабатываемой поверхности 99
3.3.13.3 Методика определения влияния угла наклона опор качения
деформирующих шариков на параметры шероховатости
обрабатываемой поверхности 100
3.3.13.4 Методика определения влияния осевой подачи
инструмента на качественные показатели
обрабатываемой поверхности 100
3.3.13.5 Методика проведения регрессионного анализа 102
4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИХ АНАЛИЗ 105
4.1. Результат определения равновесных значений параметров шероховатости внутренних поверхностей эксплуатировавшихся гильз цилиндров двигателя ЗМЗ - 53 105
4.2 Параметры шероховатости внутренних поверхностей новых гильз цилиндров двигателя ЗМЗ - 53 108
4.3 Результат проведения микроструктурного анализа поверхностного слоя новых гильз и определения микротвердости 110
4.4 Результат тарировки узла нагружения 112
4.5 Сопоставление параметров шероховатости после обработки гильз традиционной раскаткой 112
4.6 Результат проведения микроструктурного анализа поверхностей, обработанных традиционной раскаткой 118
4.7 Результат определения микротвердости поверхностного слоя, обработанного традиционной раскаткой 121
4.8 Обоснование возможности увеличения деформирующих усилий
при обработке гильз цилиндров 122
4.9 Факторы, влияющие на получение качественных показателей при
раскатывании гильз цилиндров методом осциллирующих
переменных давлений 124
4.9.1 Влияние усилий на качественные показатели обрабатываемой
поверхности при осциллирующем раскатывании 128
4.9.2 Влияние угла наклона опор качения шариков на параметры
шероховатости обрабатываемой поверхности 132
4.9.3 Влияние осевой подачи осциллирующей раскатки на
качественные показатели обрабатываемой поверхности 134
4.10 Определение технологических режимов процесса раскатывания
методом осциллирующих переменных давлений 137
4.11 Результаты обработки гильз цилиндров двигателя ЗМЗ - 53
осциллирующей раскаткой при определенных режимах 144
4.11.1 Параметры шероховатости поверхностей, обработанных
методом осциллирующих переменных давлений 144
4.11.2 Результат проведения микроструктурного анализа и измерения
микротвердости поверхностного слоя, обработанного методом
осциллирующих переменных давлений 147
412.1 Выводы по разделу 4 150
5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКОГО РАСКАТЫВАНИЯ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ МЕТОДОМ ОСЦИЛЛИРУЮІЦИХ ПЕРЕМЕННЫХ ЯВЛЕНИЙ 152
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 157
ЛИТЕРАТУРА 159
ПРИЛОЖЕНИЯ 179
- Анализ причин выхода из строя гильз цилиндров двигателей машин, используемых в сельском хозяйстве
- Некоторые теоретические предпосылки к исследованию работы традиционных статических раскаток
- Цель, задачи и программа экспериментальных исследований
- Результат определения равновесных значений параметров шероховатости внутренних поверхностей эксплуатировавшихся гильз цилиндров двигателя ЗМЗ - 53
- ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКОГО РАСКАТЫВАНИЯ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ МЕТОДОМ ОСЦИЛЛИРУЮІЦИХ ПЕРЕМЕННЫХ ЯВЛЕНИЙ
Введение к работе
В связи с непрерывным повышением требований к качеству ремонта деталей большое значение в технологическом процессе приобретают финишные операции, которые во многом определяют уровень эксплуатационных показателей отремонтированных деталей.
Условия эксплуатации машин сельскохозяйственного назначения значительно снижают ресурс работы двигателя, при этом известно /1, 2/, что автотракторные двигатели выходят из строя в основном из-за неисправностей цилиндропоршневой группы, и что ресурс двигателя в значительной степени определяется сроком службы гильз цилиндров. Как показывают исследования /3, 4/, ресурс гильз цилиндров, восстановленных на ремонтных предприятиях, значительно ниже ресурса новых гильз, потому что обслуживание и ремонт двигателей, особенно в сельскохозяйственных ремонтных предприятиях, производятся с нарушением требований государственной и отраслевой нормативно-технической документации, поэтому проблема повышения износостойкости гильз цилиндров при восстановлении (ремонте) является актуальной.
Технологический процесс ремонта гильз цилиндров под ремонтный размер состоит из следующих основных операций: точения и хонингования, реже раскатывания. Однако, традиционные финишные операции при обработке гильз цилиндров (хонингование и раскатывание инструментом с орбитой движения деформирующих шариков, расположенной перпендикулярно к его оси) не только недостаточно производительны, за счет чего в сельскохозяйственных ремонтных предприятиях операции выполняются не за несколько переходов, а в основном за один; но и технологически несовершенны, поскольку они не создают соответствующие поверхностям рассматриваемых деталей высокие характеристики качества на уровне микрогеометрии и микроструктуры.
Анализ результатов работ /5 - 9/ по изысканию и исследованию способов финишной обработки внутренних цилиндрических поверхностей показал, что интенсификация механического раскатывания за счет наложения низкочастотных вибраций (виброраскатывание) обеспечивает увеличение производительности, получение определенного микрорельефа и удовлетворительного упрочняющего эффекта. Однако, применение этого метода в сельскохозяйственной ремонтной практике весьма проблематично, так как значительно усложняется инструмент и требуется дополнительное сложное оборудование.
В связи с этим возникает необходимость в углублении научных исследований, направленных на изучение существующих способов финишной обработки гильз цилиндров и их влияния на качественные показатели обрабатываемых поверхностей, а также аналитическое обоснование причин неудовлетворительной работы наиболее простых конструкций раскаток. На основе анализа этих причин требуется разработать новый метод раскатывания осциллирующим переменным давлением, позволяющий получать высокие качественные характеристики обрабатываемых поверхностей, применяя несложную конструкцию инструмента. Решению поставленных задач и посвящена настоящая работа.
Цель исследования - повышение качества финишной обработки ремонтируемых гильз цилиндров методом осциллирующих переменных давлений шариковой раскаткой новой конструкции.
Объект исследования - процесс финишной обработки гильз цилиндров двигателей машин сельскохозяйственного назначения методом осциллирующих переменных давлений.
Предмет исследования - закономерности взаимодействия деформирующих шариков нового инструмента (раскатки) с поверхностью гильзы цилиндра.
Научная новизна - предложен новый метод финишной обработки гильз цилиндров осциллирующим переменным давлением и разработана оригинальная конструкция раскатки для его выполнения. Получены сведения о состоянии рабочих поверхностей эксплуатировавшихся гильз цилиндров, на примере двигателя ЗМЗ - 53, и определены возможности предложенного метода.
Практическая значимость работы - предложен новый метод обработки гильз цилиндров (на примере двигателя ЗМЗ - 53) - осциллирующим переменным давлением. Новый метод обработки гильз цилиндров и разработанный инструмент для его осуществления позволят получать параметры шероховатости раскатываемых поверхностей близкие к оптимальным (равновесным) при значительном увеличении микротвердости металлической основы поверхностного слоя.
На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы.
Зависимости между основными кинематическими и конструктивными параметрами процессов раскатывания традиционным статическим методом и методом осциллирующих переменных давлений.
Силовые взаимодействия деформирующих шариков с обрабатываемой поверхностью при традиционной и предлагаемой схемах нагружения.
Параметры и режимы процесса раскатывания методом осциллирующих переменных давлений гильз цилиндров, на примере двигателя ЗМЗ - 53.
Влияние традиционных способов финишной обработки и метода осциллирующих переменных давлений на качественные показатели обрабатываемой поверхности гильзы цилиндра, на примере двигателя ЗМЗ - 53, и их сравнительный анализ.
Анализ причин выхода из строя гильз цилиндров двигателей машин, используемых в сельском хозяйстве
Уровень безотказности машин, используемых в сельском хозяйстве, определяется, в первую очередь, надежностью двигателей (30 - 40% всех отказов), агрегатов трансмиссии (до 25%), гидроагрегатов (8 - 15%). Условия эксплуатации машин сельскохозяйственного назначения, характеризующиеся контрастным (переменным) тепловым режимом, запыленностью воздуха, режимом работы в широком диапазоне нагрузок и скоростей, низким качеством топлива и смазки, значительно снижают ресурс работы двигателя. Согласно результатам исследований /1.0/ средний пробег двигателей ЗИЛ-130, используемых в сельском хозяйстве, составил 30...35 тыс. км, а двигателей ЗМЗ-53 лишь 25 тыс. км.
Величина ресурса отремонтированного двигателя значительно зависит от износостойкости и качества приработки сопряжения гильза цилиндров -поршневое кольцо. Сложные условия работы машин сельскохозяйственного назначения вызывают интенсивное изнашивание гильз цилиндров.
В ряде работ /3, 4, 7, 11/ для гильз цилиндров двигателей выделены наиболее основные виды изнашивания: механическое, к которому относятся абразивное и гидроабразивное, и коррозионно-механическое.
Некоторые авторы /12, 13, 14/ считают, что главными видами износа гильз являются износ по высоте и диаметру цилиндра.
В процессе работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) толщина масляной пленки изменяется по высоте гильзы цилиндра /15/. При этом значительные вибрации - характерные условия работы сельскохозяйственных машин - способствуют интенсивному разрушению масляной пленки и потере смазочной способности, особенно в верхней части зеркала гильзы цилиндра. Работа машин сельскохозяйственного назначения в широком диапазоне скоростей и нагрузок также способствует нарушению толщины масляной пленки. Так, при увеличении скорости скольжения поршня несущая способность масляной пленки повышается и может достигнуть режимов полужидкостного трения. При малых скоростях зона полусухого трения увеличивается/15/.
В гильзе цилиндра двигателя даже при максимальной скорости скольжения поршня отсутствует гидродинамический режим смазки. С повышением давления на компрессионные кольца и температуры поверхностей трения зона сухого трения на гильзе увеличивается.
Коэффициент трения и износ гильзы цилиндра /15/ в диапазоне малых скоростей поршня с увеличением частоты вращения коленчатого вала ДВС сначала уменьшается, а затем возрастает; с увеличением нагрузки износ гильзы увеличивается.
Износ гильз цилиндров по окружности диаметра (особенно в верхней части цилиндра) неравномерен, при этом большая ось овала гильзы лежит в плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала /16/. Средняя величина овальности гильз цилиндров СМД - 14 за 2500 моточасов наработки составляет 0,092 мм.
В работе /17/ отмечается, если преобладает коррозионно-механическое изнашивание, то максимальному износу подвергается верхняя часть гильзы цилиндра, если абразивное, то - средняя.
Совместное проявление коррозионно-механического и абразивного изнашивания гильз машин, используемых в сельском хозяйстве, перераспределяет по высоте цилиндра зону максимального износа.
Некоторые теоретические предпосылки к исследованию работы традиционных статических раскаток
Известно, что раскатка, содержащая большое количество тел качения (z=12 - 20), представляет собой многократно статически неопределимую систему. Поэтому, прежде чем приступить к изложению теоретических вопросов в данной главе, сделаем ряд допущений и предположений:
1. Частота вращения детали сравнительно невелика, влияние центробежных сил и гироскопических моментов на динамику и кинематику процесса раскатывания не учитываем.
2. Разноразмерность деформирующих шариков на распределение нагрузки между ними существенного влияния не оказывает.
3. Весом шарика можно пренебречь по сравнению с другими действующими на него силами.
4. Деформирующие шарики и опоры качения считаем телами недефор мируемыми, то есть абсолютно твердыми.
5. Движение подачи инструмента не учитываем.
Как уже отмечалось, традиционные статические раскатки являются наиболее простым и доступным инструментом для финишной обработки гильз цилиндров ДВС на ремонтных предприятиях. Однако характерное для данного типа устройств постоянное защемление деформирующих шариков между опорами (опорой) качения и обрабатываемой поверхностью нередко приводит к появлению и последующему воздействию на деформирующие шарики силы, действующей со стороны сепаратора. При этом возникающее усилие со стороны сепаратора на тела качения возрастает до определенного момента, а именно до тех пор, пока реакция сепаратора не превысит силу трения покоя деформирующего шарика либо на опорах (опоре) качения, либо на обрабатываемой поверхности. В дальнейшем увеличения силы со стороны сепаратора не происходит, а деформирующие шарики оказываются заклинены. Заклинивание шариков на сепаратор сопровождается их проскальзыванием по сопрягаемым поверхностям, которое вызывает появление касательных напряжений в поверхностном слое детали больше допустимых значений.
Рассмотрим теоретически процесс обработки поверхности гильзы ДВС традиционной раскаткой статического типа с расположением орбиты движения шариков, перпендикулярным к оси обрабатываемого цилиндра.
Цель, задачи и программа экспериментальных исследований
Проведенными теоретическими исследованиями метода осциллирующих переменных давлений и раскатки для его выполнения установлены основные закономерности процесса и целесообразность использования этого метода в ремонтной практике. Поэтому целью проведения экспериментальных исследований являлись проверка работоспособности конструкции осциллирующей раскатки и сравнение получаемых с её помощью качественных показателей процесса с оптимальными (равновесными), а также с результатами традиционных процессов финишной обработки.
Были определены следующие задачи экспериментальных исследований: 1.) получить информацию о состоянии внутренних поверхностей (оптимальные показатели шероховатости) эксплуатировавшихся гильз цилиндров, на примере двигателя ЗМЗ - 53;
2) определить показатели качества финишной обработки гильз цилиндров при ремонте традиционными методами и провести их сравнительный анализ;
3) получить информацию о качественных характеристиках поверхностного слоя гильз цилиндров, обработанных механическим раскатыванием методом осциллирующих переменных давлений, и выполнить сравнительный анализ полученных результатов,
В соответствии с поставленными задачами программа экспериментальных исследований предусматривала выполнение следующих работ:
1. Приобрести на различных ремонтных предприятиях Ростовской области необходимое количество бывших в эксплуатации гильз цилиндров двигателя ЗМЗ - 53. 2. Выполнить измерения всех параметров оптимальной (равновесной) шероховатости внутренних поверхностей приобретенных гильз на современном информационно-вычислительном комплексе (профи-лометре) модели 170622.
3. Выполнить расточку гильз цилиндров и получить качественные характеристики обработанного поверхностного слоя.
4. Изготовить инструмент, традиционно используемый на ремонтных предприятиях - шариковую раскатку упругого действия с орбитой движения деформирующих шариков, расположенной перпендикулярно к её оси (статическую раскатку).
5. Выполнить тарировку узла нагружения.
6. Провести лабораторные измерения и сравнительные исследования качественных параметров поверхностей гильз, получаемых после хонингования и традиционного раскатывания.
7. Подготовить инструмент, провести расчет параметров и выполнить модернизацию раскатки для возможности изменения положения орбиты движения деформирующих шариков в допустимых пределах.
8. Провести лабораторные испытания раскатки, имеющей наклонную орбиту движения шариков, с целью подтверждения механизма её работы и определения влияния технологических параметров процесса раскатывания на качественные характеристики поверхности.
9. Определить требуемые технологические режимы процесса осциллирующего раскатывания методом планирования эксперимента.
10. Выполнить сравнительный анализ качественных параметров поверхностей гильз цилиндров, ожидаемых при осциллирующем раскатывании, с оптимальными эксплуатационными и получаемыми традиционными методами финишной обработки. Сделать соответствующие выводы.
11. Разработать частные методики выполнения вышеозначенных работ.
class4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИХ АНАЛИЗ class4
Результат определения равновесных значений параметров шероховатости внутренних поверхностей эксплуатировавшихся гильз цилиндров двигателя ЗМЗ
Изнашиваемость деталей, особенно в первый период работы двигателя, существенно зависит от состояния их рабочих поверхностей, и в первую очередь, от их шероховатости. В процессе приработки происходит интенсивное разрушение тех неровностей, которые обладают наименьшей способностью «сохраниться» в данных условиях трения, и образуются новые неровности, отличные от исходных и по форме и по размерам. При этом даже тщательно обработанные поверхности являются носителями если не конструктивных (выточка), то технологических (следы механической обработки) или эксплуатационных (царапины, коррозия) концентраторов напряжений /149/, которые приводят к увеличению шероховатости в процессе работы деталей. Опыт эксплуатации машин и механизмов /150,151/ говорит о том, что потенциальные возможности поверхностей деталей проявляются лишь в условиях установившегося режима работы сопряжения после приработки, когда происходит воспроизводимость шероховатости поверхности независимо от её качественных исходных характеристик, которые влияют лишь на продолжительность процесса приработки. Поэтому можно сделать вывод, что рабочая поверхность гильзы цилиндров в процессе эксплуатации двигателя имеет определённую для этого сопряжения оптимальную (равновесную) шероховатость.
Технико-экономическая оценка механического раскатывания гильз цилиндров методом осциллирующих переменных явлений
Расчет экономической эффективности от внедрения раскатывания гильз цилиндров ЛВС методом осциллирующих переменных давлений при восстановлении (ремонте) проводим исходя из того, что упрочнение внутренних поверхностей гильз предлагаемым методом позволяет получать параметры шероховатости, близкие к оптимальным эксплуатационным. Однако прежде чем приступить к расчету экономической эффективности, необходимо ещё раз заметить, что получение на стадии финишной операции параметров шероховатости, близких к оптимальным, наблюдаемым при эксплуатации гидьз цилиндров, позволяет значительно сократить время на приработ-. ку базового сопряжения "цилиндр - поршневое кольцо" и увеличить его износостойкость /151/.
Следовательно, определение экономии проводим из расчета себестоимости приработки одного двигателя по существующему и предлагаемому режимах обкатки.
Главной целью рациональной приработки двигателей является окончательное формирование равновесной шероховатости на поверхностях трения деталей при их минимальных начальных износах /175, 176, 177/, при этом наблюдается прямопропорциональная зависимость между продолжительностью обкатки двигателя и отклонениями значений параметров шероховатости восстановленных поверхностей базового сопряжения от эксплуатационных.
Так как метод финишной обработки гильз цилиндров, на примере двигателя ЗМЗ - 53, осциллирующим переменным давлением позволяет получать параметры шероховатости, в среднем на 30% отличающиеся от эксплуатационных (см. стр. 145 - 146), в то время как базовый метод - хонинго-вание - в среднем на 65% (см. стр. 109 - 110). Следовательно, при неизменной шероховатости рабочей поверхности поршневого кольца снижение продолжительности процесса приработки двигателя в два раза является целесообразным.
Снижение времени приработки проводим с учетом обоснованных /178, 179, 180, 181/ рекомендаций, по которым установлено, что холодной приработкой можно подготавливать поверхности трения сразу для приработки под нагрузкой. В этом случае период приработки на холостом ходу значительно сокращается, но остается необходимым для подогрева двигателя перед приработкой под нагрузкой.
