Содержание к диссертации
Введение
I. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 8
1.1. Технология изготовления, условия эксплуатации и принципы конструирования клапанных пружин механизма газораспределения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) 8
1.2. Релаксация усилий клапанных пружин, ее причины, механизм и влияние на технико-экономические показатели работы ДВС 12
1.3. Способы восстановления и анализ параметров восстановленных пружин 20
1.4. Выводы 29
1.5. Цель и задачи исследования 30
2. Теоретическое обоснование электромеханического способа восстановления пружин 31
2.1. Теоретическое обоснование схемы способа восстановления пружин 31
2.2. Сущность и преимущества электромеханического способа восстановления пружин 38
2.3. Описание конструкции и работы экспериментальной установки 41
2.4. Расчет режимов восстановления 47
2.5. Выводы 55
3. Программа и методика исследования 56
3.1. Программа исследования 56
3.2. Методика исследования дефектов пружин 57
3.3. Методика исследования влияния режимов электромеханической обработки (ЭМО) на параметры восстановленных пружин 58
3.4. Методика исследования релаксации усилий восстановленных пружин при динамическом нагружении 61
3.5. Методика выбора оптимальных режимов ЭМО 68
3.6. Методика металлографического исследования . 68
3.7. Методика рентгеноструктурного анализа 69
3.8- Методика исследования релаксации усилий восста
новленных пружин при статическом нагружении . 73
3.9. Методика сравнительных стендовых испытаний пружин
восстановленных различными способами 73
3.10. .Методика эксплуатационных испытаний 75
З.11. .Методика обработки экспериментальных данных . 76
4. Результаты исследования ... 78
4.1. Качественные и количественные характеристики ремонтного фонда клапанных пружин 78
4.2. Влияние режимов ЭМО на параметры восстановленных пружин 85
4.3. Релаксация усилий восстановленных пружин при динамическом нагружении 97
4.4. Оптимизация режимов ЭМО 102
4.5. Микроструктура и микротвердость 104
4.6. Остаточные напряжения 106
4.7. Плотность дислокаций 112
4.8. Релаксация усилий восстановленных пружин при статическом нагружении ІІ4
4.9. Результаты сравнительных стендовых испытаний . Ц5
4.10.Эксплуатационные испытания 117 Стр.
4.II. Выводы 117
5. Технологический процесс восстановления пруїин и его технико-экономическое обоснование 120
6. Общие выводы 123.
7. Литература 125
8. Приложения 135
- Технология изготовления, условия эксплуатации и принципы конструирования клапанных пружин механизма газораспределения двигателей внутреннего сгорания (ДВС)
- Теоретическое обоснование схемы способа восстановления пружин
- Методика исследования влияния режимов электромеханической обработки (ЭМО) на параметры восстановленных пружин
- Качественные и количественные характеристики ремонтного фонда клапанных пружин
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на І98І-І985г.г. и на период до 1990г., Продовольственной Программой СССР, постановлениями Пленумов ЦК КПСС и Совета Министров СССР предусмотрено значительное увеличение объема вое становления изношенных деталей и повышение эффективности и качества ремонта сельскохозяйственной техники на основе разработки и внедрения прогрессивных технологических процессов /1,2/.
Сельское хозяйство страны оснащается все более мощными тракторами, комбайнами и сельхозмашинами. В этой связи становятся актуальными вопросы снижения расхода топлива и повышения энергоотдачи машинно-тракторных агрегатов не только новых, но и отремонтированных.
В работах советских ученых Казарцева В.И., Селиванова А.И., Ульмана И.Е., Вади вас ова Д.Г., Левитского И. С, Петрова D.H., Кряжкова В.М., Аскинази Б.М. /3-ІV доказано, что достижение высоких значений этих показателей возможно только при применении прогрессивных методов восстановления.
Мощность и экономичность двигателей мобильной сельскохозяйственной техники в значительной мере зависят от ресурса клапанных пружин механизма газораспределения.
Практика показывает, что ремонтные предприятия системы Госкомсельхозтехники СССР испытывают потребность в витых цилиндрических пружинах. По данным Саратовского производственного объединения по производственно-техническому обеспечению сельского хозяйства, потребность ремонтных заводов в пружинах за 1983 год составила 400000шт. различных наименований. По данным Ленинградско го Гипрометиза /15/, годовая потребность в цилиндрических пружинах растяжения - сжатия превышает в нашей стране 2 миллиарда штук.
Актуальность данной темы обусловлена рядом существенных не-достатков известных технологии восстановления пружин, потребностью ремонтных предприятий в пружинах и экономической целесообразностью их восстановления.
Целью настоящей работы явились разработка и исследование новой, более совершенной технологии восстановления клапанных пружин двигателей мобильной сельскохозяйственной техники для условий ремонтных предприятий системы Госкомсельхозтехники СССР.
Проведенные исследования позволили разработать принципиально новую технологию, защищенную авторскими свидетельствами на изобретение & 1038030, & 1055574, 1059482, которая обеспечивает не только восстановление параметров пружин, но и увеличение их ресурса.
Работа выполнялась на кафедре "Ремонт машин" Саратовского ордена "Знак Почета" института механизации сельского хозяйства имени М.И.Калинина по договору 1 5-83 с производственным объединением заводов "Саратовоблсельхозтехника".
На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:
а) теоретическое обоснование технологических операций, необходимых для восстановления параметров и повышения ресурса клапанных пружин ДВС;
б) экспериментальное исследование влияния режимов нового способа восстановления на параметры и физико-механические свойства пружин;
в) усовершенствованная методика ускоренных стендовых испыта ний восстановленных пружин на релаксацию усилий;
г) рациональная технология, обеспечивающая восстановление параметров пружин и увеличение их ресурса.
Технология изготовления, условия эксплуатации и принципы конструирования клапанных пружин механизма газораспределения двигателей внутреннего сгорания (ДВС)
Снижение упругости пружин при эксплуатации - это явление, обусловленное процессом релаксации. Согласно определению релаксация - это изменение во времени усилий и напряжений в деталях, деформация которых зафиксирована связями /26, с.28/.
Одинг И.А. в работе /27, с.414/ дал определение релаксации как процесса самопроизвольного падения напряжении в результате перехода упругой деформации в пластическую.
Схематически процесс релаксации изображается в виде кривой релаксации (рис.1.1), имеющей два участка: первый АВ, в течение которого снижение усилия пружины происходит быстро,: и второй ВС, на котором уменьшение усилии идет замедленно.
Физический смысл релаксации усилий пружин освещен еще недостаточно. Некоторые исследователи в основу природы релаксации на первом и втором участке кладут различные представления. В некоторых работах предполагается, что первая стадия релаксации - это результат диффузионных процессов, протекающих на границах зерен поликристаллического металла. Вторая стадия определяется сдвиговыми процессами, протекающими в теле зерна /28,29,30/. В работе /31, с.73/ релаксация представляется сочетанием трех процессов: процесса, обусловленного трансляционными актами, самопроизвольно протекающими в кристаллическом теле, процесса, протекающего путем самодиффузии, и процесса взаимного смещения или скольжения элементов кристаллической структуры (кристаллитов, фрагментов, блоков).
Необходимо отметить, что компоновка механизма газораспределения, место установки клапанных пружин, конструктивное исполнение привода клапанов однозначно определяют, что пружины работают в условиях значительного нагрева и длительного, многократного циклического нагружения. Проанализируем влияние указанных условий эксплуатации пружин на явление релаксации усилий.
а) Влияние температуры эксплуатации на релаксацию усилий клапанных пружин
Из всех известных факторов температура эксплуатации наиболее сильно воздействует на релаксацию усилий. Повышение температуры приводит к ускорению подвижности атомов, возрастанию скорости диффузии, облегчается скольжение по поверхности раздела зерен,интенсифицируются сдвиговые и диффузионные процессы, в результате чего увеличивается скорость релаксации усилий, с повышением температуры увеличивается падение усилий на первом участке кривой релаксации и наклон второго участка /32, с.10/. Влияние температуры характеризуется эквикогезиовной температурой /33/,т.е. температурой, при которой влияние межзеренных и внутризеренных процессов на релаксацию одинаково. Превышение эквикогезивной температуры приводит к преобладанию межзеренных процессов, снижение температуры ниже эквикогезивной приводит к преобладанию внутризеренных процессов.
Колебание температуры эксплуатации пружин, имеющее место при работе и остановке двигателя, ускоряет протекание процесса релаксации усилий /27, с.305/. б) Влияние на релаксацию усилий величины "предварительного" сжатия пружины "Предварительное" сжатие - один из основных и решающих факторов, влияющих на релаксацию усилий пружины. С увеличением "предварительного" сжатия ускоряется процесс релаксации усилий. При достаточно низких температурах и при определенной выдержке существует прямолинейная зависимость между величиной снятого в процессе релаксации напряжения и начальным напряжением. При высоких температурах эта зависимость не имеет линейного характера и представляет собой ломаную линию /28/. в) Влияние времени эксплуатации на релаксацию усилий пружин
Время эксплуатации пружин влияет на релаксацию усилий в меньшей степени, чем температура и усилие "предварительного" сжатия. В работах /34,35/ приводятся данные о том, что с течением времени усилия в пружинах уменьшаются, причем в течение 400 часов релаксация происходит наиболее интенсивно, а в дальнейшем затухает медленно.
г) Влияние циклического нагружения на релаксацию усилий пружин йонычевым С.Г. в работе /36, с.160/ установлено, что после 500 - 1000 циклов нагружения происходит небольшое увеличение усилия пружин, а далее релаксация проявляется в виде снижения значений этих усилий.
Теоретическое обоснование схемы способа восстановления пружин
Клапанные пружины механизма газораспределения ДВС это витые цилиндрические пружины сжатия.
Наиболее важными параметрами таких пружин являются: Упругость - осевая сила Р , возникающая при сжатии пружины. Осевая деформация F деформация, возникающая в пружине при приложении осевой силы Р . Характеристикой пружины называется графическое изображение зависимости Р от Г .
Обозначим через Н. высоту новой пружины в свободном состоянии, через Нг - высоту пружины, отработавшей ресурс. Отметим, что рабочими параметрами любой клапанной пружины являются: - сила Р» - "предварительного" сжатия, она обеспечивает плотность прилегания клапана к седлу при закрытом клапане; - сила Рг. « "рабочего" сжатия, она обеспечивает гашение сил инерции, стремящихся оторвать ролик толкателя от поверхности кулачка распределительного вала.
Общеизвестно, что зависимость между упругостью Р и осевой деформацией пружины F графически изображается прямой линией, наклоненной к оси абцисс под углом Ц (рис.2.1).
Важно выявить влияние геометрических параметров и физико-механических свойств материала на упругость пружин. Осевая деформация пружины определяется из выражения:
Следовательно, угол наклона характеристики к оси абцисс пропорционален модулю сдвига материала пружины.
В процессе эксплуатации изменяются геометрические параметры и физико-механические свойства клапанных пружин. Графически это изображается следующим образом. (Рис.2.2). Характеристику новой пружины обозначим I, характеристику пружины, отработавшей ресурс, обозначим 2. Такое расположение последней характеристики объясняется уменьшением длины пружины на величину и h " и изменением физико-механических свойств материала после эксплуатации /36,50, 51,53/.
Сравнение характеристики новой пружины и пружины, отработавшей ресурс, показывает, что пружина, отраоотавшая ресурс, не обеспечивает расчетных значений усилий Р, и Рг. .
Это вызывает следующие нежелательные явления.
1. На такте всасывания выпускной клапан может открываться, и отработанные газы будут поступать в цилиндр.
2. Впускной клапан может запаздывать с закрытием и поступившая в цилиндр смесь на такте сжатия будет выталкиваться во всасывающий патрубок. Что значит восстановить параметры клапанной пружины?
По нашему мнению, для восстановления клапанной пружины необходимо и достаточно подвергнуть ее такой обработке, которая позволит добиться совпадения характеристик новой Сі) и восстановленной (Ц) пружины Срис.2.2).
Совместить характеристики можно в два приема.
Первое « характеристику 2 пружины, отработавшей ресурс, необходимо переместить в начало координат такое перемещение достигается только растяжением пружины.
Второе - полученную характеристику (3) необходимо повернуть против часовий стрелки на угол X. , на практике такой поворот достигается в результате воздействия на пружину технологических операций, повышающих модуль упругости материала пружины.
Совмещение характеристик можно описать аналитически. Согласно формуле Лекарно /17,с.II/ где L - длина прутка пружины в м; - угол подъема витков в град; d - диаметр прутка в м; Е - модуль упругости при растяжении в МПа.
Задача поиска технологаческих операций, необходимых и достаточных для восстановления пружин, решалась с позиции выбора конкретных операций, позволяющих не только восстановить упругие свойства материала пружины, но и уменьшить релаксацию усилий восстановленных пружин при эксплуатации.
Авторы многих исследований /70,с.84; 71,с.39; 72,с.61; 73,с. 161; 74, с.93; 75, с.108/ утверждают, что указанные выше условия обеспечивает высоко-температурная термомеханическая обработка (В1М0), являющаяся эффективным средством создания барьеров перемещению дислокаций в пружинных сплавах.
На основании изложенного разработана гипотеза о возможности восстановления параметров и увеличения ресурса пружин путем совмещения операций последовательного растяжения, поверхностного пластического деформирования, закалки и отпуска витков.
По технологическим, экономическим и конструктивным соображениям наиболее целесообразно проводить ВТМО электромеханическим способом, разработанным Б.М.Аскинази /10,78/.
Методика исследования влияния режимов электромеханической обработки (ЭМО) на параметры восстановленных пружин
В соответствии с поставленными задачами разработана программа исследования, включающая как теоретические, так и экспериментальные изыскания.
Дефекты клапанных пружин, отработавших ресурс, и коэффициенты их повторности определялись в ходе исследования ремонтного фонда. Это исследование состояло из статистического анализа результатов массового микрометража.
Разработка способа восстановления в виде рациональной последовательности технологических операций потребовала проведения комплекса исследований по оптимизации режимов ЭМО, обоснованию параметров технологического оборудования и конструктивно-технологических характеристик инструмента.
Выбор оптимальных режимов восстановления осуществлялся с помощью методики планирования экспериментов при поиске оптимальных условий на клапанных пружинах двигателей ЯМЗ-240Б, ЯМЗ-238НБ, ГА3 93А, ГАЗ-5ІП, ЗМЗ-53.
Построение интерполяционных моделей влияния режимов ЭМО на высоту, упругость и релаксационную стойкость пружин позволило определить факторную область оптимальных режимов, обеспечивающих параметры восстановленных пружин в пределах технических требований /80,с.8; 81, с.14; 82, с.99/;
Изучение физико-механических свойств пружин, восстановленных на оптимальном режиме, проводилось путем микроструктурного и рентгеноструктурного анализа, а также статических и динамических релаксационных испытаний.
Для определеБия уровня работоспособности, изучения релаксационной стойкости восстановленных пружин и проверки полученных данных проводились стендовые и эксплуатационные испытания.
Разработка рационального технологического процесса с соответствующим комплектом оснастки велась с учетом технических условий по качеству восстановленных пружин, расчета экономической эффективности, высокой производительности, необходимого уровня автоматизации, соблюдения норм техники безопасности, производственной санитарии и других требований ремонтного производства.
Расчет экономической эффективности от внедрения технологического процесса проводился в соответствии с действующими методическими указаниями на основании фактических данных и типовых норм.
Представленная программа отражает основные этапы проведения исследования.
В последующих разделах приведены общие и специальные методики по исследованию параметров, физико-механических свойств и определению ресурса восстановленных пружин.
Определение дефектов клапанных пружин ремонтного фонда проводилось с целью их классификации, выявления закона и показателей распределения.
Объектом исследования явились клапанные пружины двигателей ЯМЗ 240Б,ЯМЗ-238НБ,ЗМЗ-53,ГАЗ-93А,ГАЗ-51П, поступившие в ремонт на Энгельсский авторемонтный завод производственного объединения заводов "Саратовоблсельхозтехника".
Пружины перед микрометражом очищали по заводской технологии и сортировались.
При визуальном осмотре пружин устанавливались дефекты в виде усталостного разрушения, коробления торцов и искажения геометрических параметров витков. Указанные дефекты определялись методом сравнения с эталонными образцами.
Уменьшение упругости пружин определялось измерением на устройстве для контроля параметров пружин, разработанном Марее-вым С.А. (рис.3.1), дающем более точные показания в сравнении с широко распространенным прибором для измерения упругости пружин МЙП-І00-2. Точность измерений этого устройства обеспечивается индикатором часового типа ГОСТ 577-68 с ценой деления I 10 5м.
Уменьшение высоты пружины в свободном состоянии как дефект определялось путем замера высоты штангенциркулем ШЦ-III-400-0,05 ГОСТ 166-73.
Качественные и количественные характеристики ремонтного фонда клапанных пружин
Для того, чтобы выявить и классифицировать дефекты пружин, проведен анализ ремонтного фонда пружин $ 1007-70-6513. Определены дефекты, подлежащие устранению в процессе восстановления - снижение упругости и уменьшение длины пружин ниже регламентированных техническими требованиями на капитальный ремонт /82,с.195/.
Дефектами, не подлежащими восстановлению, являются: - коробление торцов пружины; - искажение геометрических параметров витков; - усталостное разрушение. Частота повторности выявленных дефектов показана на рисунке 4.1.
Объем выборки для выявления эмпирического закона распределения дефекта снижения упругости пружин определен по формуле /97, с.229/: где 2 = 60 дисперсия дефекта снижения упругости; t =2,0 квантиль Стьюдента при уровне надежности 0,95; д =1,5 предельная ошибка измерения.
Для обеспечения соответствия распределения опытных данных теоретическому закону распределения достаточно располагать размером партии в 160 пружины. Приняли объем выборки равный 174.
В данном случае зона рассеивания равна R = 105н-215н=
Расчитали параметры эмпирического распределения. В данном случае значения случайной величины заданы трехзначным числом и объем выборки N 25, следовательно, расчет параметров распределения целесообразно вести путем введения новой случайной величины; 60,3062, т.е. полученный эмпирический закон согласуется с теоретическим законом нормального распределения упругости.
Анализ результатов исследования (рис.4.1; 4.2) позволил сделать вывод о том, что из всех перечисленных дефектов основным является снижение упругости и составляет аг 50$ от общего количества пружин.
Результаты исследования представлены в виде матрицы планиро-вания и результатов опытов, расчетов ошибки параллельных опытов и дисперсии параметра оптимизации, а также таблиц приложения.
Расчет дисперсии параметра оптимизации и определение ошибки параллельных опытов представлены в приложении 6.
Для определения возможности проведения регрессионного анализа взаимосвязи режимов ЭМО и упругости рассчитана однородность дисперсий параллельных опытов по критерии Кохрена здесь max - наибольшая дисперсия; z_b\ - сумма дисперсий опытов.
Расчетное значение критерия сопоставлено с табличным для степеней свободы: числителя І = т -І = І0-І=9и знаменателя t = N =8. Здесь "L - число параллельных опытов, N1- количество опытов в матрице. При выбранном уровне значимости ск= 0,05 табличное значение критерия Кохрена (0,2926) превысило расчетное (0,2302). Следовательно, гипотеза об однородности дисперсий параллельных опытов принимается. Для определения доверительного интервала выбрано значение t = 1,99 для числа степеней свободы = N ( " I) = 8(10-1)= = 72 и принятом уровне значимости cL = 0,05 /92,с.272/. Доверительный интервал л L= t SE,I= 1,99 0,992 = 1,97. (4.26)
Все коэффициенты уравнения регрессии статистически значимы. Согласно блок-схеме принятия решений /83,с.197/ при получении адекватной модели процесса со всеми значимыми коэффициентами можно закончить исследование. Заменив в уравнении регрессии (4 15) кодовые значения факторов на натуральные, получили уравнение в натуральной форме: Р = 1166,53 - 0,643 + 0,II8N - 128500дН - 0,000П233Ы + + 813дН - 22,4ІМдН + 0,243К1дИ. (4.27)
Графическая интерпретация полученного уравнения в виде поверхностей равного отклика позволило построить факторную область режимов, обеспечивающую упругость пружин, регламентированную техническими требованиями /82, с.185/ (рис.4.3).
Анализ физического смысла полученного графика показал следующее: - нижняя поверхность, ограничивающая факторную область, соответствует совокупности режимов, обеспечивающих минимальную упругость пружин 175н; - верхняя поверхность, ограничивающая факторную область,соот-ветствует совокупности режимов, обеспечивающих максимальную упругость 230н; любая точка внутри факторной области обеспечит назначение режимов, позволяющих получить упругость пружин в пределах, установленных техническими требованиями от 175 до 230н; - боковые плоскости, ограничивающие факторную область, определяются границами интервалов изменения факторов.
Все коэффициенты уравнения регрессии статистически значимы. Согласно блок-схеме принятия решений /83,с 197/ при получе ний адекватной модели процесса со всеми значимыми коэффициентами можно закончить исследование.
Заменив в уравнении регрессии (4.20) кодовые значения факторов на натуральные, получили уравнение в натуральной форме: Н = 62,82 - 0,01873+ 0,07N 2250,5дН- 0,0000I57JN+ + 2,633ЛН- 7,4б№Н+ 0,001бЗЫлЦ. (4.35)
Графическая интерпретация полученного уравнения в виде поверхностей равного отклика позволила построить факторную область режимов, обеспечивающих высоту пружин в свободном состоянии, регламентированную техническими требованиями /82 с.195/ (рис.4.4): - нижняя поверхность, ограничивающая факторную область,соот ветствует совокупности режимов, обеспечивающих минимальную высоту пружин 0,052м; верхняя поверхность, ограничивающая факторную область, соответствует совокупности режимов, обеспечивающих максимальную высоту пружин, равную 0,054м; - боковые плоскости, ограничивающие факторную область, определяются границами интервалов изменения факторов; - любая точка внутри факторной области обеспечит назначение режимов электромеханического способа восстановления, позволяющих получить высоту пружин в пределах назначенных техническими требованиями от 0,052 до 0,054м.
