Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1 Применение турбонаддува в двигателях внутреннего сгорания техники сельскохозяйственного и специального назначения 11
1.2 Анализ причин отказов и дефектов турбокомпрессора 17
1.3 Методы ремонта основных деталей турбокомпрессора
1.3.1. Ремонт и восстановление посадочной поверхности вала ротора под подшипники 27
1.3.2. Ремонт и восстановление втулок подшипников 29
1.3.3. Ремонт и восстановление поверхности под подшипник и от верстия под уплотнительные кольца среднего корпуса 31
1.4 Схемы ремонта, реализуемые на предприятиях при восстанов лении работоспособности турбокомпрессоров 32
1.4.1 Организация рациональных технологических мероприятий в ремонтном производстве 34
1.4.2 Использование высокопроизводительного оборудования в ремонтном производстве 36
1.5 Программные средства математического моделирования 39
1.6. Цель и задачи исследования 42
ГЛАВА 2. Теоретические предпосылки разработки стратегии ремонтно-восстановительных воздействий турбокомпрессоров двигателей внутреннегосго рания 43
2.1 Анализ размерных цепей для определения технического со стояния турбокомпрессора 45
2.2 Технологические аспекты применения ремонтно- восстановительных воздействий
2.2.1 Метод установки дополнительной детали 52
2.2.2 Метод ремонтных размеров 59
2.2.3 Метод нанесения покрытий источниками концентрированной энергии 76
2.2.4 Анализ факторов механических обработки поверхностей
деталей при РВВ 79
2.3 Теоретические задачи выбора ремонтно-восстановительных воздействий 81
ГЛАВА 3. Методические основы экспериментальных исследований 86
3.1. Программа исследований 8
3.2. Методика проведения микрометражных исследований
3.3 Методика исследования физико-механических свойств восстановленных и упрочненных рабочих поверхностей деталей QC
3.3.1 Методика металлографических исследований 95
3.3.2 Методика испытаний физико-механических свойств материалов QO
3.4 Методика состояний вала ротора при различных режимах
эксплуатации 101
3.4.1 Моделирование напряженно- деформированного состояния вала ротора под влиянием внешних сил 101
3.4.2 Моделирование и расчет частот собственных колебаний вала ротора в сборе ТКР-6
3.4.3 Методика моделирования напряженно-деформированного состояния вала ротора при работе на резонансных частотах 107
3.4.4 Методика моделирования напряженно-деформированного 107 состояния на основе (контактных напряжений) в подшипниковом узле
турбокомпрессора
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 111
4.1. Результаты микрометражных исследований 111
4.2 Результаты металлографических исследований покрытий 123
4.2.1. Металлографические исследования валов роторов турбо
компрессоров, подвергшихся перегреву 123
4.2.2. Результаты испытаний физико-механических свойств на растяжение 125
4.3 Результаты моделирования воздействий, возникающих в процессе работы вала ротора л у-.
4.3.1 Результаты моделирования напряженно- деформированного состояния вала ротора при воздействии внешних сил 127
4.3.2 Результаты анализа частот вала ротора в сборе 131
4.3.3 Результаты моделирования напряженно-деформированного состояния вала ротора при работе на резонансных частотах 134
4.3.4 Результаты моделирования напряженно-деформированного (контактных напряжений) состояния в подшипниковом узле 136
ГЛАВА 5. Разработка стратегии выбора ремонтно восстановительных воздействий турбокомпрессора и оценка его экономической эффективности 141
5.1 Структура и алгоритм выбора ремонтно-восстановительных воздействий 141
5.2 Разработка группового метода организации изготовления ремонтной детали 160
5.2.1 Разработка программы управления высокопроизводительным оборудованием 165
5.3. Разработка технологического процесса ремонта турбоком прессора
5.4 Расчет экономической эффективности применения к разрабо
танной стратегии ТКР-6 176
Общие выводы 185
Список использованных источников
- Анализ причин отказов и дефектов турбокомпрессора
- Технологические аспекты применения ремонтно- восстановительных воздействий
- Методика исследования физико-механических свойств восстановленных и упрочненных рабочих поверхностей деталей QC
- Результаты моделирования напряженно-деформированного состояния вала ротора при работе на резонансных частотах
Введение к работе
Актуальность исследования
К современным поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС) предъявляются высокие требования по мощности экономичности и экологичности. Для их соблюдения применяется форсирование методом газотурбинного наддува, которое за последнее время получило широкое распространение и развитие. Двигатели с системой газотурбинного наддува устанавливаются на большинство видов техники сельскохозяйственного назначения (тракторы, комбайны, самоходная техника).
Одним из наиболее распространенных двигателей является силовые установки семейства Д-245 производства ОАО «Минский моторный завод», с установленными турбокомпрессорами семейства ТКР - 6, используемые на тракторах МТЗ 1221,1025, автомобилях ГАЗ, МАЗ, погрузчиках Амкадор.
Несмотря на развитее, долговечность систем наддува остается низкой. Наименее надёжным из узлов является турбокомпрессор, который в процессе эксплуатации подвергается износу. Отказы турбокомпрессоров происходят в результате износа поверхностей вала ротора, подшипника, среднего корпуса, диска уплотнения компрессора, маслоотражателя, уплотнительных колец.
Выход из строя данного агрегата влечет за собой нарушение нормальной работы двигателя внутреннего сгорания и как следствие, простой техники на ремонтных базах, а также снижение экономической эффективности работы.
По причине того, что стоимость нового турбокомпрессора в зависимости от моделей и производителя варьируется от 8 до 150 тыс. руб., на данный момент существуют различные методы ремонта. Однако применение одних предусматривает большую трудоемкость при низких затратах на запасные части, что не всегда целесообразно, применение других же - низкую трудоемкость ремонта, при высокой стоимости запасных частей, составляющей до 70% от стоимости нового турбокомпрессора, что в свою очередь, экономически невыгодно. Кроме этого, применение одного метода не всегда позволяет восстанавливать 100% деталей турбокомпрессора. В связи с этим выбор стратегии ремонтно-восстановительных воздействий (РВВ) является актуальной задачей.
Степень разработанности темы Анализ и систематизация ряда работ таких исследователей, как Бурумкулов Ф.Х., Лялякин В.П., Ольховацкий А.К., Сенин П.В., Черноиванов В.И. и др., посвященных проблемам ремонта и восстановления сельскохозяйственной техники, а также Байкова Б.П., Власкина В.В., Гаффарова А.Г., Лямцева Б.Ф., Михалина П.А., Малаховецккого, А.Ф., Свечникова А.А., Ханина Н.С и др., посвященных исследованию процессов ремонта и восстановления турбокомпрессоров ДВС, позволили определить научную проблему и направление дальнейших исследований.
Цель исследования - обеспечение минимальной трудоемкости и удельных затрат при ремонте ТКР, разработкой стратегии выбора ремонтно-восстановительных воздействий.
Объект исследования стратегия выбора ремонтно-восстановительных воздействий турбокомпрессора семейства ТКР-6, обеспечивающая техническое состояние и ресурс на уровне нового.
Предмет исследования ремонтно-восстановительные воздействия по восстановлению работоспособности турбокомпрессора.
Научная проблема заключается в снижении трудоемкости и удельных затрат на ремонт турбокомпрессора за счет применения различных способов РВВ, обеспечивающих ресурс на уровне нового.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту.
Статистическая оценка параметров дефектов и износов рабочих поверхностей деталей и зазоров в соединениях турбокомпрессора семейства ТКР-6.
Результаты анализа точностных параметров подшипникового узла турбокомпрессора, на основе расчета размерных цепей.
Результаты математического моделирования напряженно-
деформированного состояния и частот собственных колебаний вала ротора, а также контактных напряжений в подшипниковом узле.
Алгоритм выбора схем ремонтно-восстановительных воздействий (РВВ).
Научная новизна диссертационного исследования.
1. Распределения износов рабочих поверхностей деталей и зазоров в
соединениях турбокомпрессора семейства ТКР-6.
2. Математические модели позволяющие выявить: напряженно-
деформированные состояния при воздействии внешних сил, собственные
частоты колебаний вала ротора, контактные напряжения, возникающие в
подшипниковом узле.
3. Выявлены минимальные геометрические размеры рабочей поверхности
вала ротора турбокомпрессора, удовлетворяющие условиям запаса прочности
и частот собственных колебаний.
Практическая значимость работы
-
Разработана стратегия выбора ремонтно-восстановительных воздействий для деталей турбокомпрессора и определены условия их применения.
-
Выявлен критерий определения технического состояния турбокомпрессора.
-
Разработан принцип использования групповой технологии изготовления ремонтных деталей с использованием станков с числовым программным управлением.
Методика исследований. Теоретические исследования выполнены с
использованием известных положений теоретической механики,
сопротивления материалов, метода конечных элементов (МКЭ), математической статистики, теории двигателей внутреннего сгорания тракторов и автомобилей.
Экспериментальные исследования выполнены в соответствии с ГОСТ и РД, а также по частным методикам с использованием современного научно-исследовательского оборудования и средств измерений лаборатории
«Технологии и средства создания покрытий с заданными служебными свойствами ФГБОУ ВПО «МГУ им. Огарева».
Обработка результатов исследований проведена с использованием современных вычислительных аппаратных средств, систем инженерного анализа «SolidWorks Education», и пакетов прикладных программ «Statistica 6.0».
Реализация результатов исследования
Разработанный технологический процесс ремонта турбокомпрессоров семейства ТКР-6 внедрен в малом инновационном предприятиях: ООО «Агросервис» (г. Саранск), ИП Беляев «Ремонтно-Производственный центр » (г. Самара).
Личный вклад автора состоит в обобщении теоретических и экспериментальных исследований проведенных как самостоятельно, так и в соавторстве, а также участии в постановке целей и задач исследования, проведении экспериментальных исследований, обработке и интерпретации полученных результатов, подготовке публикаций.
Апробация результатов Основные положения и результаты
работы отражены в изданиях, из Перечня рекомендованного ВАК для
публикации результатов диссертационных исследований на соискание
ученой степени кандидата и доктора наук и материалах международных
научно-технических конференций: «Энергоэффективные и
ресурсосберегающие технологии и системы» (г. Саранск, ИМЭ, МГУ им. Н.П. Огарева 2012 - 2014 гг.), «Всероссийская научная конференция «Молодежь - развитию региона» (г. Саранск, МГУ им. Н.П. Огарева , 2014 г.) «Машиностроение: наука, техника, образование: X Всероссийская юбилейная научно-практическая конференция» (г. Рузаевка, МГУ им. Н.П. Огарева, 2014
г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 3 статьи в изданиях из Перечня рекомендованного ВАК для публикации результатов диссертационных исследований на соискание ученой степени кандидата и доктора наук. Общий объем, принадлежащий автору составляет 1,5 п.л.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 201 странице машинописного текста, включает 82 рисунка, 34 таблицы и приложения, список литературы содержит 135 наименований.
Анализ причин отказов и дефектов турбокомпрессора
Рассмотрим основные причины отказов турбокомпрессора. Они делятся на две группы: дефекты связанные с разрушением, в результате попадания постороннего предмета; дефекты связанные с изнашиванием основных деталей в различных режимах работы.
Посторонние предметы, как фрагменты ткани, уплотнительный прокладки, герметика, могут вызвать серьезные последствия. Обычно лопатки загибаются назад, а в критических случаях элементы лопаток могут разрушаться, вследствие усталости металла.
Существенную опасность несут маленькие частички ржавчины (из выпускного коллектора). Попавший на турбину твердый предмет повреждает входные кромки лопаток крыльчатки, выводя тем самым, турбокомпрессор из строя. К твердым предметам, которые часто попадают на лопатки турбинного колеса, относятся: отломившиеся части клапанов напряв ляющих втулок, седел, отломившиеся части поршней ДВС; неправильно установленная прокладка (части прокладки могут оторваться и попасть в выпускной коллектор); болты, гайки и шайбы, которые при замене турбокомпрессора падают в выпускной коллектор. Обладая высокой кинетической энергией, способны нанести существенные повреждения компонентам, вращающимся с высокой скоростью, даже при незначительном своем размере, приводят к серьезному повреждению турбинного колеса. Абразивные вещества, в виде твердой фракции, проникшие во впуск, вызывают эрозию лопаток, неминуемо ведущие к их разрушению. [9]
Разрушение турбинных колес может происходить из-за потери устойчивости работы на режимах, приводящих к помпажу, при котором возникают резкие периодические колебания давления и расхода воздуха. [32] При помпаже происходит значительное увеличение амплитуды вибрации лопаток и накопление в них усталостных повреждений. [16,30]
Повреждения данного типа могут быть вызваны и касанием вращающегося ротора о корпус турбокомпрессора, вследствие износа деталей и сопряжении подшипникового узла. [78]
Для каждого типоразмера ТКР должен быть определен свой критерий момента касания крыльчатки турбины и корпуса и дальнейшего выбора возможности применения различных ремонтно- восстановительных воздействий, с целью восстановления работоспособности агрегата. Наиболее слабыми звеньями ТКР являются сопряжения «вал ротора -подшипник» и «наружная поверхность подшипника - отверстие корпуса», узла газомаслянного уплотнения 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. [107]
Номинальные частоты вращения роторов современных турбокомпрессоров достигают 10000-120000 мин"1, максимальные -доходят до 250000 об/мин и выше. [117] Высокий скоростной режим работы турбокомпрессоров значительно ужесточает условия работы, как самого ротора, так и контактирующих с ним деталей.
В процессе эксплуатации на рабочие колеса турбокомпрессоров действуют центробежные силы и пульсирующее давление газов. Под действием переменных усилий возникают вибрации диска и лопаток [107].
В наиболее тяжелых условиях работает колесо турбины, испытывающее действие высоких нестабильных температур и скачков давления. Температура газов перед турбиной при длительной работе достигает 700С, температура корпусных деталей достигает Ю7...147С со стороны компрессора и 670.. .720С со стороны турбины [117].
Втулка подшипников ТКР воспринимает нагрузку, при вращении вала ротора, как в радиальном, так и в осевом направлениях (в схеме с НМ) (рисунок 1.2) Смазка подшипников осуществляется принудительной подачей масла под давлением из системы смазки двигателя.
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 [107] 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.
Неравенство масс и центробежных сил от неуравновешенности ротора со стороны колес компрессора и турбины приводит к тому, что ротор совершает прецессионное движение, которое определяется динамическими характеристиками системы ротор - подшипник - опоры. 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 [117].
Осевая нагрузка на торцевой подшипник ТКР возникает от пульсирующих давлений газа и воздуха в проточных частях турбины и компрессора. Под действием этих сил ротор совершает колебательное движение вдоль его продольной оси. В пульсирующем потоке газа подшипник нагружается динамической силой с частотой, равной частоте работы цилиндров двигателя.
Технологические аспекты применения ремонтно- восстановительных воздействий
Одной из составляющих при выборе схемы ремонтно-восстановительных воздействий является определение технического состояния турбокомпрессора. Оно жестко связано величинами зазоров между основными деталями подшипникового узла. На основе анализа эскиза (рисунок 2.2) видно, что в конструкции турбокомпрессора существуют два зазора, определяющие техническое состояние Ai - зазор между корпусом турбокомпрессора и колесом турбины, А2 - зазор между поверхностью отверстия под уплотнительные кольца среднего корпуса турбокомпрессора и наружной поверхностью втулки уплотнения вала ротора. Эти зазоры связаны величинами: зазором между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью втулки (Zi) и зазором между внутренней поверхностью втулки и опорной поверхностью вала (Z2).
В процессе эксплуатации суммарный внутренний зазор (Zb Z2) увеличивается по причине процессов изнашивания. Вследствие этого изменяется текущее положение вала ротора. При увеличении значения зазора Ai, сверх допустимого, происходит касание лопаток колеса турбины за её корпус. Увеличение зазора А2 приводит к касанию втулки уплотнения вала ротора и поверхности отверстия под уплотнительные кольца среднего корпуса. Возникновение хотя бы одного из вышеперечисленных условий приводит к резкому возрастанию величины дисбаланса ротора, и вследствие этого, поверхности подвергаются аварийному изнашиванию.
Следовательно, в процессе эксплуатации турбокомпрессора, предельно допустимое перемещение вала ротора не должно превышать предельно допустимую величину зазора в рассматриваемых сопряжениях.
Рассмотрим сопряжение между корпусом турбокомпрессора и колесом турбины с учетом технологических зазоров. На основе эскиза (Рисунок 2.3 а) была составлена размерная цепь (рисунок 2.3.6). [39,60,72] а) эскиз сопряжения б) размерная цепь Рисунок 2.3 - Схема расположения размеров для определения зазора между поверхностями «корпус турбины - колесо турбины»
Для расчета параметров замыкающего звена (Ад) размерной цепи, из-за большого количества звеньев, был применен расчет теоретико-вероятностным методом по РД 50-635-87. [94]
Численные значения коэффициентов асимметрии и относительного рассеивания определяются в зависимости от вида окончательной обработки исследуемой поверхности по табличным данным согласно [38,94].
Среднее значение Тср допуска составляющих звеньев: где ТАд -допуск замыкающего звена, мм; 2 - передаточное отношение і-го звена размерной цепи, Я]- коэффициент относительного рассеивания значений соответственно замыкающего и і-го составляющего звеньев размерной цепи,X) =1/9; t- коэффициент риска, t=0,27; ТІ - допуск і-го звена размерной цепи, мм.
Рассмотрим сопряжение между втулкой уплотнения вала ротора и отверстием среднего корпуса под уплотнительные кольца. На основе эскиза (Рисунок 2.4 а) была составлена размерная цепь (рисунок 2.4.6).
Схема расположения размеров для определения зазора сопряжения «втулка уплотнения вала ротора - отверстие корпуса под уплотнительные кольца»
Звенья размерной цепи, а также их номинальные значения и предельные отклонения представлены в таблице 2.2 Таблица 2.2 - Значения звеньев размерной цепи
В процессе эксплуатации турбокомпрессора под влиянием внешних факторов (дисбаланс, помпаж и т.д.) возможен перекос осей деталей подшипникового узла турбокомпрессора.
Определим величину смещения оси вала ротора As с учетом максимально возможного перекоса осей деталей подшипникового узла. Рассмотрим два случая, при которых возможно касание вращающихся частей ротора деталей корпуса.
В первом варианте (рисунок 2.5 а) был рассмотрен случай при котором, имитируется касание колеса турбины о корпус турбины. Во втором варианте (рисунок 2.5 б) был рассмотрен случай при котором, имитируется касание втулки уплотнения турбины о поверхность отверстия среднего корпуса под уплотнительные кольца.
Таким образом, величина смещения осей при котором происходит касание в сопряжении колесо турбины - корпус турбины будет равно 0,5 мм, а в сопряжении втулка уплотнения вала ротора - отверстие среднего корпуса под уплотнительные кольца будет равен 0,4 мм.
На основе полученных данных с учетом геометрических характеристик рассчитаем минимальный суммарный зазор в подшипниковом узле, при котором будет наблюдаться касание рассмотренных поверхностей. Все необходимые данные и результаты расчетов внесем в таблицу 2.5.
Как видно из расчетов величина суммарного зазора в первом (касание крыльчатки и корпуса турбины) случае меньше по сравнению со вторым. Поэтому касание в сопряжении крыльчатка-корпус турбины при увеличении суммарного зазора (при изнашивании деталей подшипникового узла) будет наблюдаться раньше и как следствие, приводит к преждевременному выходу из строя турбокомпрессора.
Результаты исследования позволили: - выявить максимальный суммарный зазор в подшипниковом узле и в сопряжении, в котором наблюдается касание вращающихся деталей ротора корпусных деталей; - использовать величину смещения как средство определения технического состояния турбокомпрессора. Значение величины смещения будет являться основным параметром на первоначальном этапе выбора стратегии РВВ (стадия определения технического состояния)
Операции по восстановлению геометрических параметров изношенных деталей являются основными при РВВ. Они представляют собой комплекс технологических подходов к решению задач возвращения в работоспособное состояние узлов и агрегатов. Технологический подход базируется на способах механической обработки деталей узла и иных методах позволяющих восстановить геометрические параметры и физико-механические свойства изношенной детали. Каждый из способов обладает особенностями применения в различных деталях. Рассмотрим наиболее распространенные подходы с технологической стороны.
Методика исследования физико-механических свойств восстановленных и упрочненных рабочих поверхностей деталей QC
Как известно, в режиме нормальной эксплуатации, детали турбокомпрессора подвергаются влиянию высоких температур. Поэтому детали выполнены из материалов, не подвергаемых изменениям в структуре кристаллической решетки под действием температур. Однако, в случае нарушения нормальной работы двигателя, происходит повышение термонапряженного состояния, и как следствие возникновение условий структурных изменений, что приводит к изменению физико-механических свойств материала. От этого напрямую зависит износостойкость и долговечность сопряжений. Наиболее подвержен данному виду нарушения вал ротора турбокомпрессора. Вследствие воздействия больших, чем при нормальной эксплуатации, температур, происходит процесс отпуска. Он сопровождается распадом мартенсита, полигонизацией и рекристаллизацией, что влечет за собой снижение твердости рабочей поверхности [13,15,17].
Одним из наиболее технологичных и быстрых путей решения данной проблемы является нанесение покрытий, со свойствами близкими к детали оригиналу. К такому способу относится метод электроискровой обработки (ЭИО). Сущность метода заключается в полярном переносе материала электрода на деталь (наращивание) при одновременном термическом воздействии тока и легировании поверхности детали элементами упрочняющего электрода и азота воздуха. Упрочненный слой отличается высокой твердостью, обусловленный образованием карбидов, нитридов, карбонитридов и закалочных структур. Таким образом, применение данного метода позволяет получать слой материала с физико-механическими свойствами аналогичными по техническим требованиям и несущей способностью к оригиналам[45,54,61].
При применении ЭИО восстанавливаются геометрические размеры, шероховатость, и физико-механические свойства поверхности соответствующие материалу основы.[62,63]
Основной характеристикой для выбора метода восстановления, путем нанесения слоя материала, как одного из РВВ, для выбираемых пар контактной группы, является то, что несущая способность восстановленного соединения должна быть не ниже эталонного. За эталонное соединение принимается новое сопряжение.
При сравнительных испытаниях оценивают: Рот - минимальную нагрузку, после увеличения которой начинается рост коэффициента трения; тах - максимальную нагрузку, после увеличения которой начинается заедание пар трения, в соответствии с ГОСТ 23.224-86 [29] для приработанной пары трения из материалов новых и восстановленных соединений. Затем при нагрузке Рот проводят испытания соединений до накопления износа, определяемого с заданной точностью принятым методом.
Несущая способность пары трения определяется выражением: где Рмп - максимальная удельная нагрузка в паре трения по ГОСТ 23.224-86, МПа [29]; Н - микротвёрдость более мягкой поверхности, МПа; г - радиус закругления неровностей более твердой поверхности, мкм; Rz - средняя высота неровностей более твердой поверхности, мкм; т- прочность на срез адгезионной связи, образующихся мостиков сварки, МПа; о0 - предел текучести деформируемой поверхности, МПа; oz max -эксплуатационная нагрузка на пару трения, МПа. Пара трения будет обладать лучшей работоспособностью, если максимальная несущая способность соединения больше, чем максимальная длительно действующая эксплуатационная нагрузка на пару трения, выполнение условия (2.55).
Напряжения возникающие под действием максимальной длительной действующей эксплуатационной нагрузки в парах трения исходя из значений величин влияния сил п.п 2.2 определены с помощью системы инженерного анализа Solid simulation путем расчета модели (рисунок 2.14).
В качестве величин система отображает минимальные, средние и максимальные значения действительных контактных напряжений, возникающие в сопряжениях контактных поверхностей при особых режимах работы. Результаты моделирования представлены в п.п 4.3
Момент исчерпания несущей способности контактной пары определяется сравнением величины эквивалентного напряжения [96] по Мизесу с пределом текучести ат по формуле: (а, -а2У +(а2 - т3у+( т3 -а,)2 _ где ОІ - условный предел текучести, т. е. такое напряжение, начиная с которого при сжатии появляются первые остаточные деформации, МПа; о\, &ь з - главные напряжения, МПа.
Таким образом, для обеспечения физико-механических свойств сопряжений, соответствующих новым, необходимо, чтобы у поверхностей, образованных после применения методов РВВ (ЭИО), максимальная несущая способность покрытий должна быть равной или выше значений напряжения в эталонной контактной паре.
Механическая обработка является основной и наиболее важной составляющей при применении различных методов ремонтно восстанавливающих воздействий. Задачей механической обработки явля ется получение требуемых геометрических размеров и шероховатости обрабатываемой поверхности. Для обеспечения практической реализации применяются различные технологии механического воздействия. Суть технологий заключается в применении таких комбинаций отдельных этапов обработки, при которых получение требуемых характеристик поверхности происходит с наименьшими затратами времени, средств, ресурсов при максимальной эффективности. Одним из показателей является технологичность. Технологичность - это совокупность свойств изделия, определяющих приспособленность его конструкции к достижению оптимальных затрат ресурсов при его производстве, ремонте [110,111]. Данный фактор учитывается на этапе конструирования детали и позволяет оптимизировать технологические воздействия. Немаловажна степень влияния данного фактора и в процессе РВВ. Это обуславливается применением аналогичных подходов при восстановлении геометрических параметров поверхностей ремонтируемых деталей.
Другим, наиболее важным фактором в применяемой технологии является организация технологического процесса. Одним из характеристик организации технологического процесса является технологическая унификация. Технологическая унификация - это типизация технологических операций и процессов, технологической документации, унификация и стандартизация технологической оснастки.
Типизация технологических операций и процессов — это установление для них общих технических характеристик и разработка на их основе типовых технологических процессов и операций [74]. Типизация характеризуется единством содержания и последовательности переходов для изделий с общими конструкционными признаками.
Высшей формой типизации является метод групповой обработки. Групповая технология применяется при изготовлении небольших партий деталей и частой перенастройки оборудования. Групповой метод обработки широко применяется в мелкосерийном производстве, дает возможность оптимизировать производство, которое приводит к повышению производительности труда на 40%, снижению себестоимости продукции на 15%. Производственный цикл сокращается в два раза[73,74].
Следующим важным фактором наряду с организационным является производительность. Производительность напрямую зависит от снижения основного и вспомогательного времени технологического воздействия. В настоящее время для операций механической обработки используется оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ). Наряду с большим количеством преимуществ таких как: экономия на трудозатратах, повышенная точность, экономия на стоимости проектирования и изготовления оснастки существуют и недостатки. Одним из них является специфическое управления исполнительными органами оборудования при помощи программирования на языке G [4,97,98].
Результаты моделирования напряженно-деформированного состояния вала ротора при работе на резонансных частотах
Значение максимального износа торцевого подшипника лежит в пределах 0...130 мкм при среднем значении 63 мкм.
На рис. 4.7 представлена плотность распределения износов отверстия под уплотнительные кольца диска со стороны компрессора износов и канавки маслоотражателя со стороны компрессорного колеса.
Плотность распределения износов отверстия под уплотнительные кольца диска уплотнения со стороны компрессора и канавки маслоотражателя со стороны компрессорного колеса 1 - отверстия под уплотнительные кольца диска уплотнения, 2 - канавок газомаслянных уплотнений вала: и Ср. мас= 68 мкм - средний износ отверстия под уплотнительные кольца диска со стороны компрессора: и Ср. км= 62 мкм - средний износ канавки маслоотражателя со стороны компрессорного колеса.
Значение максимального износа отверстия под уплотнительные кольца диска со стороны компрессора лежит в пределах 0...220 мкм при среднем значении 68 мкм.
Значение износа канавки маслоотражателя со стороны компрессорного колеса лежит в пределах 0...190 мкм при среднем значении 62 мкм.
Анализируя результаты микрометражных исследований деталей турбокомпрессоров ТКР-6, поступивших на ремонт было выявлено следующее: - величины ресурсоопределяющих зазоров превышают указанные в технических требованиях на изготовление; - износ отверстия подшипника происходит неравномерно: в районе торцов подшипника он заметно больше. Это происходит вследствие перекоса вала ротора в процессе влияния сил, возникающих в результате работы турбокомпрессора. Помимо этого изнашивание происходит в виде овальности отверстия. Исследования показали, что большему износу подвержено отверстие подшипника под вал ротора. Причина в том, что твердость материала втулки во много раз меньше твердости вала ротора. - износ наружной поверхности подшипника имеет минимальное значения и характер гидроабразивного и кавитационного изнашивания. Это в большей мере связано с конструкцией подшипникового узла. Втулка подшипника закреплена фиксатором, что предотвращает её от вращение вокруг продольной оси. Проводя визуальный осмотр можно с большей долей вероятности отметить, что гидроабразивное и кавитационное изнашивания будут оказывать наибольшее воздействие на пару подшипник - корпус. Это доказывается картиной износа. износ канавок газодинамических уплотнений вала и маслоотражателя имеет клинообразную форму с увеличением ширины канавки к сечению 1-1 (рисунок 3.5)
Полученные статистические данные были положены в основу разработки подхода к восстановления, с применением различных способов РВВ. Для способов РВВ даны следующие рекомендации:
Для метода ремонтных размеров и ремонтных деталей полученная статистическая информация позволяет осуществить выбор технологического воздействия, применяемого оборудования и технологической оснастки. На основе данных были получены формулы для расчета ремонтных размеров:
В данном эксперименте исследовалась микротвердость поверхностного слоя рабочей части вала ротора. Измерение проводили согласно методике измерений (рисунок 4.8). Среднее значение микротвердости определяли по результатам усреднения не менее 5 замеров.
Для наглядности построены графики изменения микротвердости по глубине, по каждому сечению (рисунок 4.9). Для каждого сечения представлены два графика: 1- образца, изготовленного из вала, работающего в условиях повышенного температурного воздействия в процессе эксплуатации; 2 - образца работающего в нормальных температурных условиях (эталонных).
Согласно п 3.2.2 были исследованы физико-механические свойства материала вала ротора, и материалов применяемых при ЭИО. Результаты исследования отображены в таблице 4.4 Таблица 4.4 Результаты исследования физико-механических свойств. б) график величины предела прочности и предела текучести для материалов Рисунок 4.10- Физико-механические свойства материалов Как видно из графика (рисунок 4.10а) высоким значением обладает величина модуля Юнга (рисунок 4.10 б), обладает образец из стали 40Х (закаленной). Также у закаленных материалов снижается предел текучести, что играет негативную роль при работе детали, на изгиб или кручение. Наивысший предел прочности наблюдается также у стали 40Х (закаленной). Полученные значения будут использованы при построении математической моделей конструкционной прочности, частотного анализа .
В результате работы турбокомпрессора на вал ротора действует крутящий момент, вызванный вращением колеса турбины под действием давления выхлопных газов. Под действием крутящего момента возникают напряжения по всему объему рассматриваемой детали. Согласно теории сопротивления материалов, концентраторами напряжений являются места резких переходов диаметров различных размеров. Чем больше разность значения диаметральных размеров, тем выше вероятность разрушения именно в этой зоне.
В результате использовании метода ремонтных размеров, путем удаления дефектного слоя материала, увеличивается разность размеров в месте перехода диаметров вала ротора ТКР. При помощи модуля «статический расчет» системы SolidWorks Simulation был произведен анализ напряженно деформированного состояния при изменении диаметра рабочей части вала, Рассчитав необходимые параметры значений крутящего момента по формулам 2.27 -.2.28 и в соответствии с данными анализа микротвердости п 4.2.1 внесем данные в математическую модель, сформированную по методике п п 3.4.1. Результатами моделирования являются эпюры напряженно - деформированного состояния изображены на рисунке 4.11 (а-д)