Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Влияние обработки ППД на качество прямых и коленчатых валов. состояние проблемы. постановка задачи 12
1.1 Повышение сопротивления усталости прямых и коленчатых валов 12
1.1.1 Причины поломок валов в эксплуатации 13
1.1.2 Влияние ремонта и восстановления KB на их сопротивление усталости 15
1.1.3 Конструкторские способы повышения сопротивления усталости валов 18
1.1.4 Технологические способы повышения сопротивления усталости валов 22
1.1.5 Коробление коленчатых валов при упрочнении их галтелей ППД 39
1.1.6 Резюме 44
1.2 Достижение правильной геометрической формы валов 45
1.2.1 Исследование геометрической формы KB двигателя А-41
в процессе изготовления 45
1.2.2 Нарушение правильной геометрической формы коленчатых валов в эксплуатации, при ремонте и восстановлении 48
1.2.3 Требования к геометрической форме прямых валов 49
1.2.4 Способы правки прямых и коленчатых валов 49
1.2.5 Резюме 58
1.3 Выводы 59
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование процесса коробления коленчатых валов при упрочнении их галтелей ППД 61
2.1 Механизм коробления коленчатых валов при обработке их галтелей ППД 61
2.2 Аналитическое исследование макрогеометрии коленчатых валов с одной упрочненной ППД галтелью 64
2.2.1 Первая схема нагружения щеки коленчатого вала 65
2.2.2 Вторая схема нагружения щеки коленчатого вала 79
2.2.3 Третья схема нагружения щеки коленчатого вала 84
2.2.4. Зависимость величины коробления коленчатых валов от режима дробеструйной обработки галтели 87
2.2.5. Зависимость величины коробления коленчатых валов от режима накатывания галтели роликом 89
2.2.6. Зависимость величины коробления коленчатых валов от режима чеканки галтели 91
2.3. Аналитическое исследование макрогеометрии коленчатых валов с несколькими упрочненными галтелями 92
2.3.1. Расчет величины коробления коленчатого вала при упрочнении смежных галтелей одной щеки 93
2.3.2. Расчет величины коробления коленчатого вала при упрочнении галтелей одной шатунной шейки 94
2.3.3. Расчет величины коробления коленчатого вала при упрочнении всех галтелей одного кривошипа 95
2.3.4. Расчет величины коробления коленчатого вала при упрочнении галтелей нескольких кривошипов 96
2.3.5. Расчет величины коробления коленчатого вала при упрочнении галтелей нескольких кривошипов, лежащих в разных плоскостях 96
2.4. Методика расчета величины коробления
коленчатых валов при упрочнении их галтелей ГШД 98
2.5 Способы уменьшения величины коробления коленчатых
валов при упрочнении галтелей ГШД 99
2.6 Выводы 101
ГЛАВА 3. Теоретическое исследование процесса правки валов с помощью чеканки 104
3.1 Механизм правки деталей ГШД 104
3.2 Построение фигуры с остаточными сжимающими напряжениями 107
3.3 Расчет площади и координаты центра тяжести фигуры с статочными сжимающими напряжениями при нанесении одного пластического отпечатка 111
3.3.1 Расчет площадей и координат центров тяжести параболы и полукруга 111
3.3.2 Расчет площади и координаты центра тяжести криволинейной трапеции 114
3.3.3 Расчет площади и координаты центра тяжести наплыва 119
3.3.4 Резюме 145
3.4 Расчет площадей и координат центров тяжести фигур с остаточными сжимающими напряжениями при нанесении нескольких пластических отпечатков 146
3.5. Расчет плеча 1Р действия силыР 151
3.6 Расчет изгибающего момента 152
3.7 Расчет величины прогиба (величины правки) стержня при правке чеканкой 154
3.7.1 Обработка ППД производится вне опор, величина правки измеряется вне опор (в сечении А-А) 156
3.7.2 Обработка ППД производится внутри опор 158
3.8 Методика расчета величины прогиба (величины правки) стержня при правке чеканкой 163
3.9 Методика экспериментального определения средней величины остаточных сжимающих напряжений 167
3.10 Зависимость величины правки стержня от режима чеканки 168
3.11 Особенности правки ППД коленчатых валов 170
3.12 Основные направления проектирования способов и
устройств для правки деталей ППД 174
3.13 Выводы 176
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование процессов накатывания галтелей и правки прямых и коленчатых валов с помощью чеканки 178
4.1 Методические принципы работы и техника экспериментов 178
4.1.1 Методические принципы работы 178
4.1.2 Выбор способа упрочнения галтелей коленчатых валов двигателя УД-2 181
4.1.3 Графоаналитический расчет роликов с «качающимся» профилем 181
4.1.4 Изготовление роликов с «качающимся» профилем 189
4.1.5 Приспособления для накатывания галтелей прямых валов 190
4.1.6 Полуавтоматическая установка для накатывания галтели шатунной шейки коленчатого вала двигателя УД-2 195
4.1.7 Приспособление для правки коленчатых валов двигателя УД-2.. 197
4.1.8 Установка для испытаний на усталость консольных образцов диаметром до 40 мм 202
4.1.9 Установка для испытаний на усталость коленчатых валов двигателя УД-2 202
4.1.10 Выводы 206
4.2 Экспериментальное исследование процесса накатывания галтелей валов роликами различных конструкций 208
4.2.1 Анализ работы роликов с «качающимся» профилем 208
4.2.2 Шероховатость поверхности галтели 210
4.2.3 Точность геометрической формы галтели 220
4.2.4 Глубина и степень наклепа 223
4.2.5 Микроструктура упрочненного слоя 226
4.2.6 Остаточные напряжения 230
4.2.7 Сопротивление усталости образцов 231
4.2.8 Сопротивление усталости коленчатых валов двигателя УД-2 242
4.2.9 Выводы 247
4.3 Экспериментальное исследование процесса коробления
коленчатых валов при обработке их галтелей поверхностным пластическим деформированием 248
4.3.1 Коробление коленчатых валов при упрочнении одной галтели.. 248
4.3.2 Коробление коленчатых валов при упрочнении нескольких галтелей 255
4.3.3 Экспериментальная проверка формул для расчета величины коробления коленчатых валов 293
4.3.4 Выводы 299
4.4 Экспериментальное исследование процесса правки валов с помощью чеканки 301
4.4.1 Исследование геометрической формы наплыва при чеканке 301
4.4.2 Исследование зоны с повышенной твердостью вокруг пластического отпечатка при чеканке 305
4.4.3 Исследование процесса правки прямых валов 310
4.4.4 Исследование процесса правки коленчатых валов путем чеканки локальных участков щек 318
4.4.5 Исследование процесса правки коленчатых валов путем секториальной чеканки галтелей 332
4.4.6 Методика правки коленчатых валов секториальной чеканкой галтелей 336
4.4.7 Выводы 338
4.5 Выводы по 4 главе 342
ГЛАВА 5. Новые способы и устройства для правки прямых валов ППД 345
5.1. Классификация способов и устройств 345
5.2. В процессе правки вал не вращается 345
5.3. В процессе правки вал вращается 346
5.3.1. Силовой фактор ППД изменяется 346
5.3.2 Приведенный радиус кривизны (ПРК) в зоне контакта инструмента и детали изменяется 367
5.4 Выводы 384
ГЛАВА 6. Технико-экономическая эффективность и использование результатов исследований в
Промышленности 385
Выводы по работе 390
410-481
Литература
- Повышение сопротивления усталости прямых и коленчатых валов
- Механизм коробления коленчатых валов при обработке их галтелей ППД
- Построение фигуры с остаточными сжимающими напряжениями
- Методические принципы работы и техника экспериментов
Введение к работе
Основной тенденцией современного машиностроения является быстрый и неуклонный рост мощностей и скоростей выпускаемых машин при одновременном снижении их jeeca. Поэтому непрестанно повышаются требования к качеству деталей машин, в особенности, к их надежности и долговечности.
Прямые и коленчатые валы являются весьма распространенными и ответственными деталями. От их надежности и долговечности зависят надежность и долговечность машин в целом. Отечественное и зарубежное машиностроение накопило большой опыт в их проектировании, изготовлении, эксплуатации и ремонте.
Фундаментальный вклад в разработку проблемы повышения долговечности валов и других базовых деталей ДВС внесли Беркман А. А., Бурумкулов Ф. X., Голубев И. Г., Горохов В. А., Долецкий В. А., Какуевицкий В. А., Лейкин А. С, Лельчук Л. М., Лялякин В. П., Нигородов В. В., Северный А. Э., Стеценко Е. Г., Суслов В. П., Усков В. П., Халфин М. А., Черноиванов В. И. и другие.
Однако, нередки случаи разрушения валов в эксплуатации из-за недостаточного запаса сопротивления усталости. Так, анализ причин выбраковки коленчатых валов (KB) двигателей А-41, ЯМЗ-238НБ, ЯМЗ-240Б, СМД-62 и др., поступающих в капитальный ремонт, показывает, что от 3% до 16% валов имеют усталостные трещины, от 2% до 8% KB разрушаются от усталости. Предел выносливости предельно изношенных KB снижается на 20-30% по сравнению с новыми КВ. В большинстве случаев разрушение происходит в сечении галтелей, которые являются неизбежным конструктивным элементом прямых и коленчатых валов и концентратором напряжений.
Проблема повышения сопротивления усталости прямых и коленчатых валов особенно остро стоит в ремонтном производстве. Так, перешлифовка нового KB до \- ремонтного размера снижает предел выносливости на 8%, а до 5- - на 16,5%. Перешлифовка изношенного KB - на 15% и 25% соответственно.
Большинство известных способов восстановления размеров шеек валов (наплавка, осталивание, электрометаллизация и др.) приводит к резкому снижению сопротивления усталости валов. Предел выносливости уменьшается до 30-40% (иногда - до 60%). При этом частота усталостных разрушений KB возрастает в 2-3 раза.
Проблема повышения надежности восстановленных коленчатых валов автотракторных двигателей настолько актуальна и важна, что в октябре 1987 г. в Москве был созван «Всесоюзный семинар по увеличению надежности восстановленных коленчатых валов автотракторных двигателей», на котором было рекомендовано увеличить запас сопротивления усталости новых КБ не менее, чем на 25%, а при ВНПО «Ремдеталь» организовать координационный совет по проблемам увеличения надежности восстановленных коленчатых валов автотракторных двигателей. Наиболее радикальным средством повышения сопротивления усталости прямых и коленчатых валов является обработка их галтелей поверхностным пластическим деформированием (ГШД).
Большой вклад в разработку теории и практики этого вопроса внесли Балтер М. А., Берштейн Г. Ш, Браславский В. М., Гарф М. Э., Жук Е. И., Коновалов Е. Г., Кудрявцев И. В., Куликов О. О., Одинцов Л. Г., Папшев Д. Д., Петушков Г. Е., Проскуряков Ю. Г., Пшибыльский В., Саввина Н. М., Саверин М. М., Серенсен СВ., Шахов В. И., Школьник Л. М., Шнейдер Ю. Г., Егер В., Чейз Г. и другие советские и зарубежные ученые.
В настоящее время упрочнение поверхностным пластическим деформированием успешно применяется при обработке самых разнообразных деталей: валов, шестерен, пружин, рессор, станин металлорежущих станков и др.
Однако, упрочнение галтелей KB ППД сопровождается короблением KB -нарушением их исходной геометрической формы, которое выражается в увеличении биения коренных шеек КВ. Причем величина коробления в некоторых случаях достигает 0,2-0,6 мм и более. Такие KB нуждаются в проведении операции правки.
Типичным дефектом KB является их изгиб в эксплуатации. Он наблюдается у 8-35% КВ. Величина прогиба - от 0,2 до 1,5 мм и более. При наплавке шеек изношенных KB происходит их коробление, величина которого составляет от нескольких десятых долей мм до 1 мм и более. Для устранения этих последствий необходимо введение операций правки валов.
При изготовлении прямых и коленчатых валов (в особенности, нежестких с отношением L/D 8-10) в технологический процесс включают от одной до нескольких операций правки.
В настоящее время наиболее широкое применение получила холодная правка валов на прессах. Однако, этот способ правки имеет весьма серьезные недостатки. Поэтому для ответственных высоконагруженных валов его применение запрещают. Альтернативные способы правки валов с помощью ППД разработаны в недостаточной степени.
Целью настоящей работы является повышение качества прямых и коленчатых валов при их ремонте и изготовлении путем применения научно обоснованных способов упрочнения галтелей и правки валов с помощью поверхностного пластического деформирования.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие основные задачи:
1. Исследовано влияние обработки поверхностным пластическим деформированием на макрогеометрию прямых и коленчатых валов по двум направлениям:
1.1 Теоретическое исследование процесса коробления коленчатых валов при упрочнении их галтелей поверхностным пластическим деформированием.
1.2 Теоретическое исследование процесса правки прямых и коленчатых валов с помощью чеканки.
2. Осуществлена экспериментальная проверка адекватности предложенных моделей.
3. Проведены сравнительные эксперименты по исследованию влияния накатывания галтелей роликами различных конструкций на некоторые показатели качества валов.
4. Разработаны и внедрены в промышленность новые способы и устройства для накатывания галтелей и правки прямых и коленчатых валов поверхностным пластическим деформированием.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые разработаны основные положения теории коробления KB при упрочнении их галтелей ППД, включающие механизм коробления KB, аналитическое исследование макрогеометрии KB с одной упрочненной ППД галтелью (для трех различных схем нагружения щеки KB и различных случаев взаимного расположения опор KB, упрочняемых галтелей и сечений, где осуществляется измерение величины коробления) и с несколькими упрочненными галтелями (для плоских KB и KB с шатунными шейками, расположенными в разных плоскостях).
Получены зависимости, связывающие величину коробления KB с характеристиками материала и размерами KB, средней величиной и глубиной залегания остаточных сжимающих напряжений, а также режимами дробеструйной обработки, накатывания роликами и чеканки.
Разработаны способы уменьшения величины коробления KB, а также методика расчета, алгоритм и компьютерная программа для расчета величины и направления коробления одношюскостных KB с четырьмя шатунными шейками.
Впервые разработаны основные положения теории правки прямых и коленчатых валов с помощью чеканки, включающие механизм правки валов чеканкой, аналитические зависимости для расчета площади и координаты центра тяжести фигуры с остаточными сжимающими напряжениями и изгибающего момента при нанесении одного или нескольких пластических отпечатков, а также для расчета величины прогиба (величины правки) валов для различных случаев взаимного расположения опор вала, местоположения пластических отпечатков и сечений, где производится измерение величины правки.
Разработаны методика расчета величины правки и методика экспериментального определения средней величины остаточных сжимающих напряжений.
Разработаны основные направления проектирования способов и устройств для правки валов ППД.
Получены результаты сравнительных экспериментов по исследованию влияния накатывания галтелей роликами различных конструкций на некоторые показатели качества валов.
Практическая ценность и реализация работы.
Разработана методика расчета величины и направления коробления KB различных конструкций при упрочнении их галтелей ППД, а также алгоритм и компьютерная программа для расчета величины и направления коробления KB с четырьмя шатунными шейками, лежащими в одной плоскости.
Разработаны методика расчета величины правки валов с помощью чеканки и методика экспериментального определения средней величины остаточных сжимающих напряжений при чеканке.
Разработаны установки для усталостных испытаний цилиндрических образцов диаметром до 40 мм и коленчатых валов двигателя УД-2.
Разработаны и запатентованы различные способы и устройства для правки прямых и коленчатых валов, а также промышленная полуавтоматическая установка для накатывания галтелей шатунных шеек и правки чеканкой щек KB двигателя УД-2. Отработаны режимы накатывания и правки.
Разработаны приспособления для накатывания галтелей валов с прямолинейной осью.
Результаты работы внедрены на Ульяновском ОАО "Волжские моторы", Тутаевском экспериментально-ремонтном заводе, ОАО "Алтайские средства энергетики", заводе "Алтайдизель", Атбасарском, Витебском, Волгоградском и других ремонтных заводах, а также в технических требованиях на капитальный ремонт двигателей ЯМЗ-240Б, ЯМЗ-238НБ, А-41, разработанных Государственным всесоюзным ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским технологическим институтом ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ).
Результаты работы используются в учебном процессе НовГУ при изучении дисциплин "Технология обработки поверхностным пластическим деформированием", "Технология машиностроения", "Технология ремонта машин", а также в курсовом и дипломном проектировании.
Суммарный экономический эффект от внедрения составляет более 6 млн. руб. в масштабе цен до 1990 г.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на выездном заседании Головного Совета "Машиностроение" (Новгород, 1996), научно-технических конференциях и семинарах: международной конференции "Технология - 96" (Новгород, 1996),
"Современные технологии в машиностроении" (Пенза, 1996), научной конференции " XXII Гагаринские чтения" (Москва, 1996), 1-м международном семинаре "Актуальные проблемы прочности" (Новгород, 1997), 2-м международном семинаре "Современные проблемы прочности" им. В. А. Лихачева (Старая Русса, 1998), международной конференции "Сварка, электротермия и родственные технологии - 99" (Санкт-Петербург, Новгород, 1999), 3-м международном семинаре "Современные проблемы прочности" им. В. А. Лихачева (Великий Новгород, Старая Русса, 1999), научно-техническом семинаре инженерно-технического факультета Новгородского государственного университета (Новгород, 1999), совместном заседании кафедр технологии машиностроения и конструкционных материалов Санкт-Петербургского политехнического университета (1999), круглом столе работников Старорусского приборостроительного завода и участников Зш международного семинара "Современные проблемы прочности" (Старая Русса, 1999), ежегодных научно-технических конференциях Новгородского государственного университета.
По теме диссертации опубликовано 86 печатных работ, в том числе 7 монографий (3 - книжным изданием, 4 - депонировано), 60 статей (из них 40 -в центральной печати), получено 19 авторских свидетельств, подготовлено к печати учебное пособие с грифом Учебно-методического объединения по образованию в области автоматизированного машиностроения (МГТУ "Станкин").
На защиту выносятся:
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса коробления коленчатых валов при упрочнении галтелей ППД.
2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса правки прямых и коленчатых валов с помощью чеканки.
3. Результаты сравнительных экспериментальных исследований влияния накатывания галтелей роликами различных конструкций на некоторые показатели качества валов.
4. Новые способы и устройства для накатывания галтелей и правки прямых и коленчатых валов с помощью ППД.
Повышение сопротивления усталости прямых и коленчатых валов
Ниже рассматриваются, в основном, причины конструкторского и технологического характера.
Анализ литературных и производственных данных показывает, что в подавляющем большинстве случаев причиной поломок коленчатых валов является недостаточный запас сопротивления усталости в сечении галтелей коренных (КШ) и шатунных (ТТТТТТ) шеек, щеках, а также у радиальных отверстий в шейках валов [153]. Минимальная допустимая величина коэффициента запаса сопротивления усталости в галтелях КБ составляет 1,5-3 [17, 202, 208]. Специалисты по ремонту и восстановлению KB считают его недостаточным. По их мнению необходимо повысить запас сопротивления усталости новых KB не менее, чем на 25% [178]. Чаще всего прямые и коленчатые валы разрушаются по галтелям [4, 5, 13, 40, 41,113, 158, 208, 223, 224], что можно объяснить следующими причинами:
1) Галтели являются конструктивными концентраторами напряжений. Это хорошо видно из рисунка 1.1, а, где показано распределение напряжений в галтели шатунной шейки коленчатого вала по С. В. Серенсену [185].
2) Шейки валов часто подвергаются закалке с нагревом ТВЧ для увеличения их износостойкости. Галтель при этом из-за технологических трудностей остается сырой. Закаленный слой обрывается на границе галтели и цилиндрической части шейки. Зона обрыва закаленного слоя является областью возникновения остаточных растягивающих напряжений (рисунок 1.1, б, в) [136], достигающих значительных (до 160-170 МПа) величин [218,219,221 ] и снижающих предел выносливости коленчатых валов на 20-44% [6, 118, 230].
3) Задиры на ШШ, возникающие из-за перегрузок двигателей в эксплуатации, снижают предел выносливости на 10... 15% [27].
4) В условиях серийного и массового производства технологически трудно выдержать заданный радиус и форму галтели. Поэтому зачастую наблюдаются значительные отклонения радиусов галтелей от заданных. Например, радиус галтели у коленчатых валов двигателей, изготовляемых на заводе им. С. М. Кирова, достигает 3,5 мм вместо 6 мм по чертежу. Поле рассеивания радиусов галтелей шатунных шеек коленчатого вала двигателя УД-2, находится в пределах 2-3,2 мм вместо 2,5-3 мм по техническим условиям [82]. О большом рассеивании радиусов галтелей упоминается также в работе [128].
При перешлифовке шеек на 3-4 ремонтный размер получить галтели праг вильной геометрической формы не удается [206]. При перешлифовке KB двигателей А-41М на ремонтный размер встречаются галтели с радиусом 1-2 мм [118] (т. е. происходит подрез галтелей).
Уменьшение радиуса галтели против заданного приводит к повышенной концентрации напряжений в галтели, шейке и щеке, в результате чего вероятность поломки коленчатых валов в эксплуатации увеличивается. Так, 60 % коленчатых валов двигателя СМД-62 с поломками щек имели радиус галтели 3, 94 мм вместо 5_о;5ММ по чертежу [176].
5) Шероховатость поверхности галтелей коленчатых валов обычно задается в пределах Ra = 0,16-0,63 мкм по ГОСТ 2789-73 [36, 199]. В производственных условиях, как правило, удается достичь только Ra = 0,63-2,5 мкм. Увеличение шероховатости поверхности, как известно, ведет к снижению предела выносливости на 20-30% и поломкам валов [4].
6) Неблагоприятное расположение волокон металла с внутренней стороны кривошипа у заготовки KB (штамповки), в результате чего они могут подрезаться при формовании заготовки и при дальнейшей механообработке. (Фирма Шнейдер-Кредо разработала способ штамповки KB гибкой с высадкой, при котором последующая механообработка не приводит к перерезанию волокон. Предел выносливости возрастает на 20-25% [149]).
7) Предел выносливости предельно изношенных KB снижается на 20-30% по сравнению с новым [147, 158, 178, 204]. У стальных KB двигателей автомобилей ЗИЛ-130 с предельно изношенными шейками предел выносливости уменьшается на 26-30% по сравнению с новыми, а у чугунных KB - на 7-10% [11].
8) В результате кратковременных перегрузок двигателя, неравномерной подачи топлива к цилиндрам, смещения опор блока и т. п. возникают ситуации, при которых KB работает с перегрузками. При этом в опасных сечениях (в основном, в галтелях) накапливаются усталостные повреждения, снижающие предел выносливости. Так, для КБ двигателя СМД-14 он уменьшается на 25% по сравнению с новыми [224], для KB двигателя Д-21 - на 14% [27].
9) Местами разрушения в автомобильных полуосях являются участки галтелей со стороны фланца и участки стержня со шлицевой нарезкой. В последнем случае развитие трещины начинается с галтелей шлиц.
Снижение сопротивления усталости валов ввиду вышеперечисленных причин можно учесть в какой-то степени при их расчете и конструировании, а также при изготовлении. Однако, в полной мере это сделать затруднительно из-за сложной схемы нагружения валов, несовершенства существующих способов расчета, большого количества трудноучитываемых факторов, снижающих прочность валов. В частности, в работе [203] приведены данные об изгибающих и касательных напряжениях в стальных KB некоторых дизелей по результатам тензометрирования. Фактические напряжения оказались значительно ниже пределов выносливости, однако, при испытаниях часть валов разрушается. Авторы делают вывод, что "... элементы KB при работе дизелей имеют в своем спектре нагружения, которые не выявляются при расчетах и тензометрировании". Поэтому приходится прибегать к дополнительным мерам для повышения сопротивления усталости валов.
После определенного периода эксплуатации тракторные и автомобильные двигатели поступают в ремонт.
По данным [178] на предприятих Госагропрома СССР ежегодно ремонтировалось более 2,5 млн. двигателей. Для их комплектования на ремонтных предприятиях в 1987 г. было восстановлено более 725 млн. шт. KB и около 1 млн. перешлифовано под ремонтные размеры.
В 1980 г. было восстановлено 853,6 тыс. коленчатых валов (из них для двигателя ГАЗ-51 - 591 тыс.) [158].
Численность работников, занятых ремонтом тракторов и машин в АПК в 1990 г. составила 953 тыс. чел. Для тракторов затраты на ТО и ремонт за весь срок службы более, чем в 2 раза превышают их первоначальную стоимость [1]. В себестоимости тракторных работ до 40% затрат приходится на ТО и ремонт машин, что обусловлено их низким техническим уровнем [222]. Большая часть отказов (30-55%) связана с производственными дефектами. 20-30% отказов возникает из-за конструктивного несовершенства тракторов [222].
Из года в год происходят одни и те же сложные отказы, в частности, заклинивание KB, разрушение KB и др.
В ГОСНИТИ оценивали уровень ремонтопригодности основных моделей новых образцов тракторов и комбайнов. Выявлено 60-140 серьезных конструк-торско-технологических недостатка [222].
В частности, анализ 46 двигателей А-01М показал, что 60% отказов был вызван конструкторско-технологическими недостатками [22].
Так как сократился парк тракторов (на 6%), автомобилей и зерновых комбайнов (на 22%), резко возросла нагрузка на технику, которая и раньше была в 5-8 раз выше, чем в развитых странах [121].
Крупным резервом уменьшения расходов KB тракторных двигателей является их восстановление. Доля изношенных KB, пригодных для восстановления, составляет 10-25% [207, 225].
Восстановлением и ремонтом изношенных деталей тракторов и сельхозмашин интенсивно занимаются многие зарубежные фирмы. В США - фирмы "Джон-Дир", "Glisson", "Интернейшнл Харвестер", "Катерпиллар", "Виктор", "Каминз", "Метко" и др. В Англии - фирмы "Perkins", "Лейланд", "Бритиш райлуей энджиниринг" и др. В Канаде - фирмы "Сентрал пресинж", "Монреал дизел" и др. В Швейцарии - фирма "Кастолин Ротектик". В ФРГ - "Реге", "Регель" [225, 158].
KB перешлифовывают на ремонтные размеры, при больших износах наплавляют. Для ремонта KB и распредвалов применяют специальное оборудование американской фирмы "Шторм-вулкан" [225].
Восстановление KB и других деталей производится также в Польше, Югославии, Румынии [108].
В процессе перешлифовок и длительной эксплуатации с перегрузками под действием циклических нагрузок в галтелях происходит накопление микроскопических усталостных повреждений - трещин, которые являются концентраторами напряжений. Поэтому, когда KB поступают на восстановление, около 68% из них имеют усталостные трещины, а - 7% полностью разрушены [147].
Выбраковка по усталостным дефектам KB двигателей ЗМЗ-53 в доре-монтный период, в первый, второй и третий межремонтные периоды составляет 7, 13, 16, и 20% соответственно [191].
Анализ результатов дефектовки KB двигателя ЯМЗ-240Б, поступивших на Ярославский моторный завод, показывает, что основной причиной их выбраковки (44,8%) являются усталостные трещины с выходом на галтель и поперечные трещины, приводящие к усталостным поломкам [50].
У 15% KB двигателя ЗИЛ-130, поступающих в ремонт, есть трещины и изломы усталостного характера, чаще всего - на 3- и 4- ПІНІ в зоне галтелей [113].
Механизм коробления коленчатых валов при обработке их галтелей ППД
Общий принцип конструирования деталей машин, работающих со знакопеременными нагрузками, заключается в следующем: форма деталей должна обеспечивать возможно более равномерное распределение в них напряжений. В применении к прямым и коленчатым валам это предполагает следующие мероприятия [см. таблицу 1.1]:
1) Увеличение угла наклона а щек KB (рисунок 1.2, а). При этом выравнивается предел выносливости возрастает на 30-50 направление силового потока и увеличивается усталостная прочность вала. Однако, увеличиваются и габариты двигателя. 2) Увеличение перекрытия шеек є (рисунок 1.2, б): di + Ch є = ———-г , (1.1) 2 где: є - перекрытие шеек, мм; di- диаметр коренной шейки, мм; аг - диаметр шатунной шейки, мм; г - радиус кривошипа, мм. В этом случае % и более.
3) Шероховатость поверхности галтелей валов должна быть не более Ra = 0,16-0,63 мкм [199, 233]. В противном случае валы могут разрушаться в эксплуатации [122].
4)Увеличение радиуса галтели гг до рекомендуемого [189, 138]: гг = ( 0,07-0,09) d2, (1.2) где: гг - радиус галтели, мм.
Увеличение радиуса галтелей у коленчатых валов ДТ-54 в сочетании с уменьшением шероховатости их поверхностей сократило число разрушений в 2,7 раза. Дальнейшее увеличение соотношения (1.2) нецелесообразно, т. к. уменьшается длина цилиндрической части шейки.
5) Применение галтелей сложной формы: а) эллиптическая галтель (рисунок 1.2, в) дает прирост усталостной прочности вала на 10-20%; 6) эллиптическую галтель можно заменить галтелью, профиль которой очерчен 2-3 радиусами; в) концентрация напряжений в галтели, описанной по параболе, значи тельно меньше, чем в радиусной галтели; г) применение галтелей с поднутрением в шейку (рисунок 1.2, г), в щеку (рисунок 1.2, д) или с комбинированным (одновременно в шейку и щеку) под нутрением (рисунок 1.2, е) приводит к увеличению предела выносливости на 20-50% [109].
Оптимизация профилей галтелей валов уменьшает уровень концентрации напряжений в галтелях на 20-25% [144].
Например, увеличение радиуса галтели с 8 до 12 мм с одновременным поднутрением в щеку у коленчатого вала тепловозного двигателя 2Д100 способствовало повышению предела выносливости на 27% .
Получение правильной геометрической формы описанных галтелей по принятой в настоящее время технологии механической обработки весьма затруднительно, так как шлифовальный круг при поперечном врезании начинает работать по корке и изнашивается неравномерно. В результате получаются галтели неупорядоченной формы.
6) Выполнение шеек KB полыми, рассверливание шеек и щек со смещени ем оси отверстия наружу от оси коренной шейки (рисунок 1.2, ж). Усталостная прочность при этом возрастает на 10-15% [187].
Сочетание эксцентричного рассверливания шеек с уширением щеки увеличивает предел выносливости (при бочкообразном отверстии) в 2-3 раза.
7) Увеличение ширины и толщины щеки, удаление металла из наиболее нагруженной части щеки (рисунок 1.2, з), комбинация этих способов. Последнее повышает сопротивление усталости при переменном кручении в 2-2,5 раза.
8) Рациональное расположение отверстия для смазки (см. рисунок 1.2, и) может повысить усталостную прочность KB на 10-50%. Так при расположении этого отверстия под углом у = 90 и 270 усталостная прочность вала при кручении повышается на 10-15% по сравнению с у = 0 или у = 180.
Положительное влияние на выносливость коленчатых валов оказывает также уменьшение шероховатости поверхности масляных отверстий и закругление их краев [120].
9) Применение материала с большим пределом прочности, так как уста новлено, что с увеличением предела прочности до 1000-1100 МПа предел вы носливости также растет [187]. Дальнейшее повышение предела прочности не рационально, так как повышается чувствительность материала к концентрации напряжений. 10) В последнее время все большее применение для коленчатых валов находят высокопрочные чугуны [109, 120, 153]. В этом случае помимо экономии металла снижается себестоимость механической обработки. Усталостная прочность чугунных валов обычно не ниже, чем стальных, потому что в литье гораздо проще получить оптимальную с точки зрения выносливости конфигурацию щек (рисунок 1.2, к). Кроме того чугунные коленчатые валы восприимчивее к упрочнению ГШД. Так, например, после чеканки галтелей предел выносливости таких валов выше, чем стальных кованных валов.
Чугунные коленчатые валы гораздо менее чувствительны к несоосности опор и шеек [120] и к концентрации напряжений, вызываемой малым радиусом галтелей, надрезами или дефектами поверхности. Они обладают большей демпфирующей способностью.
11) Шпоночная канавка не должна доходить до галтели и создавать дополнительную концентрацию напряжений.
12) Не следует стремиться к чрезмерному ужесточению опор, так как в этом случае при несовпадении осей опор резко возрастает напряженность валов, что может привести к их поломкам. (Аналогичная картина наблюдается при неравномерной выработке опор).
Вышеизложенное наглядно показывает, как сильно влияет на сопротивление усталости валов малейшее изменение их конструкционных форм и как тщательно конструктор должен отрабатывать все элементы вала. Нередко даже такие металлургические дефекты, как волосовины, раковины и шлаковые включения, оказывают на выносливость валов меньшее влияние, чем конструктивные концентраторы напряжений.
Конструкторские способы не исчерпывают всех возможностей повышения сопротивления усталости валов. Для этой же цели применяется ряд технологических способов, которые рассматриваются в п. 1.1.4.
Построение фигуры с остаточными сжимающими напряжениями
В соответствии с терминологией, принятой в "Сопротивлении материалов", стержнем будем называть тело, у которого длина значительно превышает размеры его поперечного сечения. Для прямолинейного стержня с круглым поперечным сечением используем термин вал.
Рассмотрим схему на рисунке 3.1. На нем показан стержень прямоугольного сечения, в верхнюю плоскость которого внедрен сферический индентор. При внедрении сферического индентора в упругопластическое тело в последнем развиваются упругие и пластические деформации, механизм которых подробно рассмотрен в работах [30, 51, 164, 196, 201, 221]. Отмечается, что наибольшее значение касательных напряжений достигается не на контактной поверхности, а на глубине, примерно равной 0,46-0,5 радиуса пластического отпечатка. Поэтому пластическая деформация зарождается на указанной глубине, а затем распространяется на поверхность и вглубь тела. При этом металл вытесняется из-под индентора, происходит его "выпучивание" над исходной поверхностью. Перемещаемый в новое положение металл увлекает за собой связанные с ним нижележащие слои. Таким образом, под индентором формируется зона П (рисунок 3.1) интенсивной пластической деформации [164].
Известно, что пластическая деформация сопровождается лавинообразным образованием дислокаций и точечных дефектов. Так, в недеформированных отожженных углеродистых сталях средняя плотность дислокаций составляет примерно 106-108 см"2 [163, 174]. После ППД число дислокаций в наиболее деформированном слое увеличивается на несколько порядков. Для стали 45, например, число дислокаций достигает 5,52 -10n-l 1,58-1011 см"2 [163, 174]. После пластической деформации всего на 10% концентрация точечных дефектов возрастает до 1019-1020 см"3 [173]. Рост концентрации точечных дефектов и особенно вакансий приводит к увеличению объема пластически деформированного металла по разным источникам от нескольких десятых долей процента до 1,1% [42,119, 127, 137,146,152, 162, 163, 173, 174, 183, 197].
В связи с изложенным металл в зоне П стремится увеличить свои линейные размеры и изгибает стержень на рисунке 3.1 выпуклостью вверх.
При этом нижележащие слои металла, которые не подверглись пластическому деформированию, испытывают упругую деформацию изгиба и поэтому стремятся вернуть стержень к исходной геометрической форме.
В результате в зоне Пив непосредственной близости от нее формируются остаточные сжимающие напряжения (ОСН). (На рисунке 3.1 зона Н - зона, в которой сформированы остаточные сжимающие напряжения). При этом, чем глубже внедрен индентор в верхнюю плоскость стержня, тем больше зона П интенсивной пластической деформации, тем больше величина упругого изгиба стержня, тем больше зона распространения Н и величина остаточных сжимающих напряжений.
Остаточные сжимающие напряжения, суммируясь в зоне Н, в совокупности создают силы Р, приложенные в центре тяжести CF зоны Н.
Если центр тяжести (ЦТ) зоны Н лежит выше центра тяжести поперечного сечения стержня Сп, то возникает так называемое внецентренное растяжение стержня. При этом стержень испытывает продольное растяжение силами Р и чистый изгиб моментом М, который и изгибает стержень выпуклостью вверх (рисунок 3.1).
Таким образом, вкратце механизм правки ППД сводится к следующему. Объем пластически деформированного в зоне П металла увеличивается, поэтому стержень упруго изгибается выпуклостью вверх. Его упруго деформированные слои стремятся вернуть стержень в исходное положение, поэтому в зоне П и Н формируются остаточные сжимающие напряжения. Последние в сумме создают силы Р, приложенные в ЦТ зоны Н. При этом стержень испытывает растяжение силами Р и чистый изгиб моментом М.
Следовательно, упругий изгиб стержня является следствием пластической деформации в зоне П, а остаточные сжимающие напряжения в зоне Н, в свою очередь, являются следствием упругого изгиба стержня. Можно считать, что остаточные сжимающие напряжения в зоне Н удерживают стержень в изогнутом состоянии. Поэтому, с другой стороны, их можно рассматривать как внешнюю нагрузку, вызывающую упругий изгиб стержня.
Такой подход дает возможность рассчитать изгибающий момент М, возникающий в зоне Н, и величину вызываемого им прогиба (величину правки) стержня.
Величину изгибающего момента М, возникающего при нанесении одного пластического отпечатка на верхнюю плоскость стержня по рисунку 3.1, можно рассчитать по формуле: М=Н, (3.1) где 1р - плечо действия силы Р (расстояние от центра тяжести зоны Н до центра тяжести поперечного сечения стержня); Р - сила, созданная совокупным действием остаточных сжимающих напряжений в зоне Н; она равна: P=(J-F, (3.2) где а - средняя величина остаточных сжимающих напряжений в зоне Н; F- площадь зоны Н в вертикальном сечении, проходящем через центр сферы индентора перпендикулярно плоскости эскиза на 107 рисунке 3.1.
Таким образом, для расчета изгибающего момента М необходимо прежде всего рассчитать площадь F фигуры, внутри которой сформированы остаточные сжимающие напряжения, и координату ее центра тяжести.
Методические принципы работы и техника экспериментов
Экспериментальные исследования проводились в три этапа:
1. Исследование влияния накатывания роликами различных конструкций на качество галтели. Под качеством галтели понималось: шероховатость ее поверхности, точность геометрической формы галтели, глубина и степень наклепа, микроструктура поверхностного слоя галтели, величина остаточных напряжений и предел выносливости валов в сечении галтели. 2. Исследование процесса коробления KB при упрочнении их галтелей ППД. 3. Исследование процесса правки прямых и коленчатых валов с помощью чеканки.
Новая технология упрочнения галтелей разрабатывалась на коленчатый вал двигателя УД-2 (рисунок 4.1.1), выпускаемый Ульяновским моторным заводом при годовой программе выпуска около 60000 шт./год. Из-за недостаточного запаса сопротивления усталости около 5% этих KB разрушалось в эксплуатации.
Материал коленчатого вала двигателя УД-2 - сталь 45; твердость после отжига НВ = 1790-2280; шатунные шейки диаметром 38 мм закаливаются ТВЧ на глубину 2-4 мм до HRC = 52-62, при этом галтели радиусом 2-3,2 мм с шероховатостью поверхности Ra = 1,6 мкм остаются сырыми. Наиболее слабым с точки зрения усталостной прочности вала, является сечение по галтели 2 шатунной шейки (рисунок 4.1.1). Именно в этом сечении произошел излом у 80% валов, сломавшихся в эксплуатации [58].
Это объясняется слишком малым коэффициентом запаса усталостной прочности в сечении галтели 2. При экспериментальном определении он оказался равным всего 1,41, в то время, как обширная литература рекомендует минимальный коэффициент, равный 1,5-3 [17,189, 202, 208]. Также отрицательно сказывается на усталостной прочности вала большая шероховатость поверхности галтели (Ra =1,6 мкм) и заниженная (против рекомендованной) величина радиуса галтели 2-3,2 мм, тогда как вычисление по формуле (1.2) дает результат 2,7-3,4 мм. Фактически же более 50% валов имеют радиус галтели менее 2,7 мм (рисунок 1.7).
В связи с тем, что в качестве основного объекта исследования выбран коленчатый вал двигателя УД-2, исследование влияния режимов обработки ППД на качество обрабатываемой галтели производилось на образцах, форма и раз меры которых были близки к форме и размерам шатунной шейки упомянутого вала.
Высота микронеровностей поверхности галтели Rz измерялась в соответствии с ГОСТ 2789-73 [36] у 3-5 образцов, после чего подсчитывалась среднеарифметическая величина Rz. На этих же образцах исследовалась точность геометрической формы галтелей.
Глубина и степень наклепа при каждом режиме упрочнения исследовались на 2-3 образцах. На них же исследовалась микроструктура поверхностного слоя.
Усталостные испытания проводились в соответствии с методикой ГОСТ 25.502-79 [39]. Предварительные испытания - на образцах диаметром 11,95 и 40 мм, окончательные - на натурных коленчатых валах.
Исследовалось влияние состава и способа подачи смазывающе-охлаждающих жидкостей (СОЖ) на шероховатость поверхности, глубину и степень наклепа и усталостную прочность в сечении накатанной галтели. Ис-пытывались составы, указанные в таблице 4.1.1.
Сравнивалась эффективность трех способов подачи СОЖ в зону накатывания: поливом, под давлением и распылением. Для сравнения производилось накатывание галтелей всухую. При обработке результатов использовались методы математической статистики. Процессы коробления KB исследовались на KB различных конструкций, изготовленных на различных материалов: двигателей КАМАЗ, УД-2, УД-15, ВАЗ и др.
Процессы правки валов путем обработки ППД изучались на прямых валах (например, распредвалах некоторых двигателей) и на KB различных конструкций.
В главе 1 отмечалось, что наиболее эффективным и легко осуществимым является упрочнение галтелей коленчатых валов способами поверхностного пластического деформирования: накатыванием простыми и вибрирующими роликами или шариками и чеканка. Накатывание вибрирующими роликами и чеканка применяются для крупных валов.
Для упрочнения галтелей KB средних размеров применяется накатывание роликами или шариками. Однако, как было показано в главе 1, шариками и роликами обычной конструкции (а также клиновидными и каплевидными роликами) эффективно обработать всю поверхность галтели не представляется возможным. Это возможно лишь при использовании роликов с "качающимся" профилем.
Поэтому для упрочнения галтелей KB двигателя УД-2 было выбрано накатывание роликами с "качающимся" профилем. Как показали наши эксперименты (см. п. 4.2), при использовании роликов достигается более высокий уровень показателей качества галтелей. Поэтому нами разработана методика расчета роликов с "качающимся" профилем, описанная в п. 4.1.3.
Конструкция ролика с "качающимся" профилем представлена на рисунке 4.1.2, где приняты следующие обозначения: гр - радиус рабочего профиля ролика; а - угол рабочего профиля ролика; ф - угол "качания" рабочего профиля ролика.
Вышеприведенные параметры ролика находятся в сложной взаимосвязи с размерами упрочняемой галтели, поэтому их правильный выбор затруднителен. В. М. Браславский в работе [20] приводит формулу для подсчета угла ф и рекомендации по выбору величины гр. Однако, при этом не учитывалось явление рассеяния размеров радиусов галтелей в массовом производстве.
Необходимо разработать методику расчета роликов с "качающимся" профилем с учетом рассеивания размеров галтелей в массовом производстве. Для этого необходимо произвести геометрический анализ конструкции ролика [67,71,95,96].
