Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 6
1.1. Особенности подшипников коленчатых валов ДВС 6
1.1.1. Актуальность повышения иаделшости подшипников коленчатых валов ДВС 6
1.1.2. Конструкция подшипников коленчатого вала 7
1.1.3. Вкладыши подшипников коленчатого вала 9
1.2. Режимы работы подшипников коленчатого вала 13
1.2.1. Работа при граничном трении 14
1.2.2. Работа при жидкостном трении 16
1.2.3. Работа при полужидкостном трении 17
1.3. Контактирование поверхностей при трении 18
1.4. Повреждение поверхностей 23
1.4.1. Изнашивание при истирании поверхностей 23
1.4.2. Изнашивание при схватывании поверхностей 25
1.5. Технологические методы повышения износо- и зад иро стойкости поверхностей трения 27
1.6. Финишная антифрикционная обработка 37
1.6.1 .Общие сведения 37
I 6.2. Разновидности процессов финишной обработки 40
1.6.3.Финишная обработка модифицирующими материалами 43
1.7. Выводы и задачи исследования 45
2. Расчетно-теоретический анализ 47
2.1 Предпосылки расчёта 47
2.2. Определение оптимальной шероховатости 48
2.3. Исследование влияния финишной обработки вала на работу подшипников 54
3. Методика экспериментальных исследований 59
3.1. Общая методика проведения исследований 59
3.2. Методика проведения финишной антифрикционной обработки модифицирующими материалами 60
3.2.1 Анализ выбранных модифицирующих материалов 62
3.2.3. Проведение финишной антифрикционной, обработки по схеме много факторного эксперимента 63
3.2.4. Выявление шероховатости обработанной поверхности 68
3.3. Методика проведения испытаний на износо- и задиростойкость с использованием машины трения 70
3.3.1. Факторы оказывающие влияние на сопряжение 71
3.3.2. Определение параметров оптимизации при проведении испытаний на машине трения 71
3.3.3. Общая схема моделирования процесса 72
3.3.4. Методика испытаний против оз ад ирных свойств поверхности после финишной антифрикционной обработки модифицирующими материалами 74
3.3.5. Методика испытаний противоизносиых свойств поверхности после финишной антифрикционной обработки модифицирующими материалами 75
3.4. Методика обработки экспериментальных данных 78
4. Результаты экспериментальных исследований влияния финишной антифрикционной обработки шейки вала на работоспособность сопряжения вал-вкладыш 79
4.1. Результаты экспериментальных исследований процесса финишной антифрикционной обработки шейки коленчатого вала 79
4.2. Результаты исследования работоспособности сопряжения вал -вкладыш 94
4,2.1. Результаты испытаний противозадирных свойств поверхности после финишной антифрикционной обработки модифицирутощими материалами.95
4.2.2. Результаты испытаний противоизносыых свойств поверхности после финишной антифрикционной обработки модифицирующими материалами.., 102
4.2.3, Выводы по лабораторным исследованиям 104
5. Рекомендации по проведению финишной обработки шеек коленчатого вала путём применения модифицирующих материалов 105
5.1. Подготовка деталей к финишной обработке 105
5.2. Финишная обработка шеек коленчатого вала модифицирующими материалами 106
Основные результаты и выводы 108
Литература
- Конструкция подшипников коленчатого вала
- Определение оптимальной шероховатости
- Выявление шероховатости обработанной поверхности
- Результаты исследования работоспособности сопряжения вал -вкладыш
Введение к работе
Непрерывно возрастающие требования к качеству выпускаемых и отремонтированных машин связаны с необходимостью повышения их точности и надежности, которые в значительной мере определяются эксплуатационными свойствами их деталей и узлов. В 80% случаев, выход из строя машин при эксплуатации происходит по вине трения [50]. В технологии машиностроения имеются большие резервы улучшения эксплуатационных свойств поверхностей деталей машин. Совершенствование существующих и создание новых технологических методов позволяют значительно улучшить качество продукции. На дорожных машинах, тракторах, грузовых автомобилях и комбайнах эксплуатируется большое количество двигателей, в основном после капитального ремонта. Их ресурс в большинстве случаев составляет 30 - 47 % ресурса новых двигателей [6]. На техническое обслуживание, текущий и капитальный ремонты двигателей затрачивается средств в 5 - 6 раз, а труда в 10 - 15 раз больше, чем на их изготовление [18]. При эксплуатации 34 - 45 % отказов приходится на двигатели [18]. В связи с этим и производительность отремонтированных машин ниже в среднем на 10 - 15 % [18]. Вот почему необходимо повышать качество ремонта двигателей. Ресурс двигателей внутреннего сгорания автомобилей и сельскохозяйственной техники во многом зависит от кривошипно-шатунного механизма, в частности от сопряжения -шейка коленчатого вала - вкладыш подшипника. Поэтому качественное восстановление изношенных коренных и шатунных шеек коленчатого вала позволяет снизить расход запасных частей и сохранить работоспособность автомобилей, тракторов и комбайнов.
В связи с изложенным потребовалась совершенствование процесса окончательной обработки шеек коленчатого вала.
Конструкция подшипников коленчатого вала
Подшипниками называют опорные устройства валов, предназначенные для направления их относительного движения, а так же для передачи нагрузок валов на корпус машины.
Подшипник скольжения состоит из шейки вала, корпуса подшипника и помещенных в нем вкладышей, на которые непосредственно опирается шейка вала. Шейка вала, является частью коленчатого вала. Основным материалом для производства коленчатых валов являются стали. Для мало- и среднеоборотных двигателей применяют углеродистые стали 35, 40, 50, 40Г, 45Г, 50Г и др. Валы высокооборотных и форсированных двигателей обычно изготовляют штамповкой, материалом служат легированные стали 40ХН, 35ХМ, 38ХМЮА, 40ХНВА, 25Х2Н4ВА, 38ХНЗВА и др. а также высокопрочные чугуны с шаровидным графитом ВЧ 45-5, ВЧ 50-2, ВЧ 60-2 и др. [34,45,58].
Корпус подшипника обычно делают из чугуна, вкладыши для уменьшения трения изготовляют из материалов, которые в паре с шейкой вала имеют незначительный коэффициент трения и хорошую прирабатываемость. Замена вкладышей при износе стоит значительно дешевле, чем замена всего подшипника. Корпус разъемного подшипника состоит из двух частей: основания корпуса и крышки, прикрепляемой к основанию корпуса болтами иди шпильками. Вкладышей в разъемном подшипнике обычно два — верхний и нижний [19, 58].
Подшипники коленчатого вала выполнены, как подшипники скольжения это связано с тем, что по условиям сборки они должны быть разъемными, кроме этого при работе двигателя, на коленчатый вал действуют ударные и вибрационные нагрузки, которые компенсируются использованием демпфирующего действия масляного слоя подшипника скольжения.
Подшипники скольжения работоспособны в широком диапазоне температур, бесшумны, обладают стойкостью в химически активных средах, виброустойчивостью и высокой долговечностью при высоких скоростях[61].
Основные требования к подшипникам скольжения: конструкции и материалы подшипников должны обеспечивать минимальные потери на трение и износ валов, иметь достаточную прочность и жесткость, чтобы противостоять действующим на НИХ силам и вызываемым ими деформациям и сотрясениям; размеры трущихся поверхностей должны быть достаточными для восприятия действующего на них давления без выдавливания смазки и для отвода развивающейся от трения теплоты; сборка подшипников и установка валов и обслуживание должны быть по возможности простыми. Для уменьшения трения в подшипниках, повышения к. п. д., снижения износа и нагрева до минимума, трущиеся поверхности смазывают маслом. В зависимости от толщины масляного слоя подшипник коленчатого вала может работать в режиме жидкостного или граничного трения[19, 36].
Режимы пуска и интенсивного разгона двигателя наиболее опасны для коренных и шатунных подшипников коленчатого вала. В эти периоды минимальный зазор в подшипниках не превосходит 2-3 мкм, что при недостаточной смазке вызывает интенсивное изнашивание деталей
Материал и конструкция вкладыша, оказывают огромное влияние на работу подшипника скольжения коленчатого вала [36].
Основными параметрами вкладыша подшипника скольжения ДВС, является его конструкция (вкладыши могут быть толстостенными и тонкостенными) и свойство антифрикционного покрытия.
Первоначально требование обеспечения высокой жесткости вкладыша удовлетворялось путем применения толстостенных вкладышей, имеющих толщину 4-6 мм и выше. Однако такие вкладыши не обеспечивали хорошего контакта с постелью подшипника, чем затруднялся отвод тепла и снижалась усталостная прочность. Кроме того, толстый антифрикционный слой подвержен выдавливанию при нагружении. В современных быстроходных двигателях все в большей степени находят применение тонкостенные вкладыши. Это гибкие конструкции, но вследствие их плотного прилегания к постели жесткость обеспечивается подшипником в целом. При этом тепло очень хорошо отводится в массу двигателя и снижает температуру масляной пленки. Тонкостенные вкладыши очень технологичны при массовом производстве, так как штампуются из ленты, но требуют высокой точности [34, 36].
Наиболее распространенными материалами для заливки вкладышей являются сплавы на основе свинца, олова, меди, цинка алюминия. Выбор антифрикционного сплава должен в значительной степени определяться его совместимостью шейкой вала и прирабатываемостью [76, 31].
В автомобильных двигателях применяют трехслойные подшипники: антифрикционная заливка из сплава СОС- 6-6 (6% - сурьма, 6% - олово, 88% -свинец), металлокерамический или медно-никелевый подслой и стальная тонкостенная основа [10].
Па тракторных дизелях нашли свое применение биметаллические вкладыши: антифрикционный сплав АСМ (3,5 - 4,5% - сурьма, 0,5 - 0,7% -магния, остальное - алюминий), нанесенный прокаткой на жесткое стальное основание, с промежуточным подслоем из чистого алюминия или алюминиевой фольги. Такие биметаллические подшипники применены на большинстве отечественных тракторных дизелей. Их долговечность - 4 - 5 тыс. ч [9,10]. Ниже приведены антифрикционные материалы (табл. 1), нашедшие свое применение при изготовлении подшипников скольжения ДВС [1,8,31].
Определение оптимальной шероховатости
Шероховатость поверхности образует микрорельеф поверхности [15, 16], информацию о котором можно получить различными методами. Наибольшее распространение получил метод, с использованием профилографоф. Изучение поверхности проводится по профил о граммам. Для количественной оценки и нормирования шероховатости поверхностей ГОСТ 2789-73 [16] устанавливает шесть параметров: -три высотных (RmL1,4 - наибольшая высота неровностей профиля, R7 -высота неровностей профиля по десяти точкам, Ra - среднее арифметическое отклонение профиля), - два шаговых (Sm - средний шаг неровностей профиля, S - средний шаг местных выступов профиля), - параметр относительной опорной длины профиля - tp.
Основным во всех случаях является нормирование высотных параметров 3. 16, 30].
Изучение литературных источников [41, 67, 68] по данной тематике позволило выявить шероховатость поверхности вала (Ra = 0,15-0,2 мкм.), соответствующую минимальному моменту сил трения при работе с вкладышем.
Реализовать качество поверхности вала, которое исключит приработку на микроуровне а так же шероховатости поверхности и нормальные напряжения приводящие к минимальным моментам трения можно с помощью финишной обработки модифицирующими материалами.
Учитывая вышеизложенное, можно поставить три задачи по теоретическому изучению процесса финишной обработки модифицирующими материалами: - выявление количественных зависимостей между параметрами процесса и объекта обработки; - отыскание оптимальных рабочих параметров при проведении операции обработки; -выбор оптимального состава модифицирующей композиции.
Под оптимальностью следует понимать получение наилучших результатов в конкретных условиях. Задача первого рода относится к интерполяционным задачам, а второго и третьего к экстремальным. Реализация, интерполяционной задачи;
По данным [41, 54] изменение среднего арифметического отклонения профиля Ra при финишной обработке протекает но гиперболическому закону: Ra,= « « г кч t-Ra+к 2Л) Где: RaK - среднее арифметическое отклонение профиля поверхности вала изменяющееся при обработке (мкм); RaH - начальное среднее арифметическое отклонение профиля поверхности вала,(мкм); I - время механоактивации (час); /" - коэффициент зависящий от нагрузки механоактивации и параметров среды [41, 54]. P.f, (2.2) Где: Р - нагрузка механоактивации (МПа); &т - предел текучести материала (Мпа); J - коэффициент трения учитывающий параметры среды в которой происходят взаимодействия[39. (2.3) Где: То - сдвиговое сопротивление при экстраполяции нормального давления к нулю (МПа); Р - пьезокоэффициент молекулярной составляющей трения; // - коэффициент Пуассона для материала прижима; Е- модуль упругости для материала прижима (МПа); а.ф - коэффициент гистерезисмых потерь при скольжении; а,ф = 2,5а, а - коэффициент гистерезисных потерь при сжатии (й=0,03).
Подставляя выражения (2.2) и (2.3) в (2.1) получим формулу для расчёта средне арифметического отклонения профиля изменяющегося при обработке, в зависимости от нагрузки механоактивации, времени обработки и параметров среды, в которой осуществляется взаимодействие.
Для реализации экстремальной задачи воспользуемся факторным планированием, а точнее методом латинского квадрата (5x5) представленным в[48].
Для этого выразим уровни управляемых и контролируемых факторов, входящих в состав выражения (2.4): - Контролируемые факторы, значения которых поддерживаются иа определённом, постоянном уровне представлены в табл.2
Для выявления оптимальных рабочих параметров при проведении операции обработки и оптимального состава модифицирующей композиции, необходимо выразить зависимость между пьезокоэффициентом молекулярной составляющей трения и концентрацией модификатора (ТСК), в рабочей композиции. Такая зависимость представлена на рис. 8. Определение молекулярной составляющей, проводят с использованием специального прибора - трибометра, по методу сменных подложек [53]. .
Повышение содержания модификатора ТСК в рабочей композиции при финишной обработке приводит к повышению значения пьезокоэффициента, а следовательно и коэффициента трения. Это связано со способностью геомодификаторов ТСК в процессе механоактивации производить микрошлифовку обрабатываемой поверхности, что вызывает снижение шероховатости. Для работы модификатора ТСК требуются определённые нагрузка и время, позволяющие суперфинишировать поверхность.
Графически данные полученные в ходе расчёта представлены 3-х мерными поверхностями отклика, описываемыми полиномом второго порядка (3.1), рис. 9 и 10.
Выявление шероховатости обработанной поверхности
Целью данного мероприятия является выявление шероховатости, для возможного прогнозирования её величины за счёт установки режимов технологической обработки поверхности. Это необходимо-, из-за того, что геометрические параметры поверхности оказывают существенное влияние на процесс изнашивания.
Под выявлением шероховатости обработанной поверхности, в данном случае подразумевается определение высотных параметров микронеровностей Ra, RzHRmax: Ra-- Среднее арифметическое отклонение профиля; Rz - Высота неровностей профиля по десяти точкам; Rraax - Наибольшая высота неровностей профиля. где j,- высота І-го профиля, урГ высота і-го наибольшего выступа профиля; yvi- глубина і-ой наибольшей впадины профиля.
Определяем шероховатость обработанной поверхности, в направлении главного движения, т.е продольную шероховатость, методом ощупывания сечения с использованием прибора для определения шероховатости поверхности Perthometer М2 (DIN EN ISO 3274).
Относительная однородность микронеровностей поверхности позволяет судить о шероховатости в данном направлении по результатам обследования участка сравнительно небольшой длины. Для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности, используется базовая длина /.
Результатами таких исследований, становятся значения высотных параметров и профилограмма поверхности.
Основная цель разработки методики лабораторных испытаний на машине трения сводилась к планированию и проведению экспериментов в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным.
Испытания проводились на машине трения СМТ 2 Ивановского завода испытательных приборов, кинематическая схема которой представлена на рис. Работоспособность сопряжения «шейка вала - вкладыш» после восстановления шеек коленчатого вала зависит от ряда факторов, таких как: -Частота вращения; -Нагрузка; -Качество обработанной поверхности; -Наличие смазывающего материала.
Частоту вращения и величину нагрузки выбирали исходя из условий работы реальных машии. Требовалось воспроизвести работу коленчатого вала под воздействием большой нагрузки при его низкой частоте вращения. Это вызывает наибольший интерес, т.к. при таком сочетании параметров может произойти продавливание масляного клина, в этом случае коленчатый вал опускается на вкладвтши и начинается процесс граничного трения. Этот режим работы наиболее опасен с точки зрения повышенного износа и схватывания поверхностей.
Поэтому, при воспроизведении факторов, были приняты следующие значения: частота вращения 1000 об/мин, нагрузка 6-8 МПа.
Качественные показатели поверхности задавались финишной антифрикционной обработкой модифицирующими материалами. Перед испытанием образцы подверглись такой обработке, проводимой по схеме многофакторного эксперимента.
В контакт подавалось масло, количеством достаточным для прохождения процесса граничной смазки.
Для решения интерполяционной задачи, требуется определение зависимости между параметрами оптимизации и факторами, в той или иной степени влияющими на них. Параметрами оптимизации или по-другому функциями отклика при проведении испытаний на машине трения были выбраны: -Температура трения; -Коэффициент трения; -Интенсивность изнашивания; -Нагрузка схватывания.
Для выявления величин этих параметров использовались следующие схемы: - определение температуры осуществлялось методом естественной термопары. Преимуществом такого метода является малая инерционность и простота методики. Измерение производились при помощи хромель-копелевой термопары ТХК и микропроцессорного программируемого измерителя типа 2ЇРМОА-Щ1.Ш класса точности 0,5. -определение коэффициента трения осуществлялось перерасчётом момента трения. Момент трения определялся методом бесконтактного индуцирования. Для этого использовался бесконтактный индукционный датчик машины тренияСМТ-1 ивановского завода испытательных приборов и универсальный мультиметр. - определение величины износа образца «колодка» проводилось гравиметрическим методом с использованием механических весов типа ВЛА 200-М (погрешность измерения ± 0,001 г), а «ролика» - объёмным методом, при помощи профилографа-профилометра модели 201, завода «Калибр». - для определения нагрузки схватывания, фиксировалась максимальная нагрузка выдерживаемая до появления задиров и катастрофического повреждения поверхности образцов.
Результаты исследования работоспособности сопряжения вал -вкладыш
При внешнем трении разделение поверхностей условно и обеспечивается протеканием на границе раздела и в тончайших поверхностных слоях твердых тел строго определенных механо-физико-химических процессов. При таком протекании процессов выполняются следующие условия: -существование устойчиво-граничного смазочного слоя; -метастаб ильное состояние поверхности трения как следствие динамического равновесия процессов разрушения и восстановления модифицированных тончайших слоев.
Эти условия характеризуют нормальное внешнее трение без повреждаемости поверхностей и определяют следующие основные задачи управления процессами трения и износа: а) расширение области механических нагрузок и улучшений условий среды, при которых имеет место нормальное трение без повреждаемости; б) оптимизация сил трения за счёт антифрикционности поверхности и минимиизация скорости износа в области нормального трения.
Учитывая это были выделены критерии, по которым производилась оценка свойств поверхности после финишной обработки модифицирующими материалами для сравнения с работой поверхностей после шлифования и полирования. Такими критериями являются: - Коэффициент трения; - Температура в зоне трения, С; - Нагрузка схватывания, МПа; - Относительный износ вала, отн. ед.; - Интенсивность изнашивания вкладыша.
Испытания противозадирных свойств поверхности после финишной антифрикционной обработки модифицирующими материалами, проводились по методике представленной в п. 3.3.4. Эффективность обработки характеризовалась величиной значений температуры и коэффициента трения в зоне контакта, динамикой их изменения при изменении нагрузки и времени, а так же нагрузкой выдерживаемой сопряжением до момента схватывания. Для исключения погрешностей в ходе проведения испытаний, эксперимент проводили с трехкратным повторением. По окончании испытаний были построены графики функций, отражающие графически обозначенные критерии.
На рисунках представлена динамика изменения коэффициента трения в зависимости от изменения времени рис.29 и нагрузки рис.3 і. Так же представлена динамика изменения температуры в зависимости от изменения времени рис.30 и нагрузки рис.32.
На каждом графике представлены кривые зависимостей при испытаниях вала в сопряжении с вкладышем после различных видов окончательной обработки таких как: шлифование, полирование и финиширование.
Анализ зависимостей представленных на рис. 29 и 31 показывает, что использование финишной обработки модифицирующими материалами СУРМ и ТСК в качестве окончательной обработки вала позволяет снизить коэффициент трения в среднем на 1,5 - 20% по сравнению с другими видами окончательной обработки. При начальных, низких нагрузках в сопряжении вкладыша с валом после финишной обработки преобладает более высокий показатель коэффициента трения, чем при полировании, однако при повышении нагрузки обеспечивается, снижение показателя, что является наиболее важной характеристикой т.к. эта нагрузка равна 4 - 5МПа и соизмерима с нагрузками на подшипники вала в реальном, двигателе.
Такие показатели, связаны с особой структурой поверхности после финишной обработки модифицирующими материалами, которая представляется в виде матрицы, наполнителя и армирующих материалов.
В качестве матрицы (основы) выступает материал шлифованной поверхности вала, наполнителем служат антифрикционные слоистые структуры, являющиеся одной из составляющих геомодификатора ТСК и соли мягких металлов модификатора СУРМ. Армирующий материал - кристаллы (вторая составляющая геомодификатора) высокой твёрдости, внедрённые в поверхность при механоактивации, отвечают за высокие прочностные характеристики.
Анализируя зависимости на рис. 30 и 32, можно сделать вывод, что температура носит стабильный характер, обладая стремлением к повышению. ламинарно, без скачков как во времени, так и при повышении нагрузки для всех видов обработки, до определённого момента, до нагрузки 4—5 МПа и времени 100 - 120 мин, после чего температура в сопряжениях вкладыша с валом после шлифования и полирования резко повышается, характеризуя собой момент схватывания поверхностей.
