Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 19
1.1 Ремонтный фонд ресурсоопределяющих базовых деталей дизельных двигателей 19
1.2 Дефекты и основные методы восстановления базовых деталей дизельных двигателей 23
1.2.1 Блок цилиндров 23
1.2.2 Головка блока цилиндров 33
1.2.3 Коленчатый вал 37
1.3 Перспективные методы восстановления базовых деталей дизельных двигателей 44
1.3.1 Электроискровая обработка поверхности 44
1.3.2 Холодное газодинамическое напыление порошковых материалов... 49
1.3.3 Восстановление деталей композиционными материалами с металлической матрицей
1.4 Выбор рационального метода восстановления деталей 52
1.5 Цель и задачи исследований 57
2 Теоретические основы обеспечения работоспособности и долговечности восстановленных деталей двигателей 61
2.1 Разработка модели работоспособности восстановленной детали в двигателе 61
2.2 Разработка математической модели усталостной долговечности восстановленных деталей по результатам ускоренных стендовых испытаний 66
2.3 Разработка математической модели ресурса по усталости восстановленных деталей 72
2.4 Оценка работоспособности восстановленных деталей
по критерию задиростойкости 80
2.5 Условия обеспечения послеремонтного ресурса сборочной единицы с восстановленными деталями 84
2.5.1 Обеспечение безотказности и долговечности 84
2.5.2 Обеспечение триботехнической работоспособности восстановленных сопряжений 88
2.6 Выводы 91
3 Программа и методики экспериментальных исследований 92
3.1 Программа экспериментальных исследований 92
3.2 Методики сравнительных ускоренных стендовых испытаний восстановленных деталей 93
3.2.1 Методика ускоренных стендовых испытаний деталей на усталость
при переменном изгибе 93
3.2.2 Методика исследования триботехнической работоспособности соединений на трибометре по схеме «круговое движение» 97
3.2.3 Методика исследования триботехнической работоспособности соединений при возвратно-поступательном движении 100
3.2.4 Методика оценки фреттинг-коррозионной стойкости соединений... 104
3.3 Методики исследования структуры и фазового состава покрытий... 108
3.3.1 Методика металлографических исследований 108
3.3.2 Рентгенофазовый анализ 111
3.3.3 Рентгеноструктурный анализ 113
3.4 Методики исследования физико-механических свойств покрытий формируемых при восстановлении деталей и соединений 119
3.4.1 Методика исследования микрогеометрии поверхностей металлопокрытий 119
3.4.2 Методика исследования жесткости (деформируемости) металлопокрытий 122 3.4.3 Методика оценки прочности металлопокрытий при испытаниях на отрыв 127
3.4.4 Методика оценки прочности металлопокрытий при испытаниях на
срез 130
4 Результаты экспериментальных исследований электроискровых и газодинамических покрытий ... 133
4.1 Оборудование и материалы 133
4.1.1 Выбор материала для электроискровых покрытий 133
4.1.2 Выбор материала для газодинамических покрытий 139
4.2 Прочность электроискровых и газодинамических покрытий 142
4.2.1 Результаты испытаний на отрыв 142
4.2.2 Результаты испытаний на срез 148
4.3 Металлографические исследования электроискровых и комбинированных покрытий 151
4.3.1 Оборудование и подготовка образцов для исследования 151
4.3.2 Структура электроискровых покрытий на стали 45 152
4.3.3 Структура электроискровых покрытий на сером чугуне 155
4.3.4 Структура комбинированных покрытий на стали 45 158
4.3.5 Структура комбинированных покрытий на сером чугуне 161
4.4 Исследование микрогеометрии поверхности электроискровых покрытий 164
4.4.1 Микрогеометрия электроискровых покрытий на сером чугуне 164
4.4.2 Микрогеометрия электроискровых покрытий стали 20Х 173
4.4.3 Пластичность и микрогеометрия электроискровых покрытий при нагружении 179
4.5 Исследование напряженно-деформированного состояния деталей, восстанавливаемых электроискровым и газодинамическим методами 185
4.5.1 Остаточные напряжения в электроискровых покрытиях и эффективность применения поверхностно-пластического деформирования при восстановлении деталей, подверженных циклическим нагрузкам 185
4.5.2 Исследование свойств медьсодержащих композиционных комбинированных покрытий 188
4.5.3 Экспериментальные исследования прочности коленчатых валов Д-21, восстановленных электроискровым методом 195
4.6 Триботехническая работоспособность электроискровых и газодинамических покрытий 196
4.6.1 Результаты испытаний на трибометре по схеме «круговое движение» 196
4.6.2 Результаты триботехнических испытаний при возвратно поступательном движении 202
4.7 Фреттинг-коррозионная стойкость восстановленных соединений 205
4.8 Выводы 210
5 Разработка технологических процессов восстановления базовых деталей двигателей композиционными покрытиями 213
5.1 Разработка и опытно-производственная проверка технологического процесса восстановления блоков цилиндров дизельных двигателей 213
5.1.1 Разработка типового технологического процесса 213
5.1.2 Разработка технологической оснастки для расточки коренных опор блоков цилиндров 214
5.1.3 Отработка операций технологии восстановления блока цилиндров 218
5.1.4 Устранение локальных дефектов рабочей поверхности гильзы 221
5.2 Разработка технологии восстановления головки блока цилиндров с
коррозией привалочной плоскости 226 5.3 Разработка технологии восстановления коленчатых валов с
изношенными упорными торцами шеек 228
6 Технико-экономическая эффективность от внедрения разработанных технологий 230
6.1 Расчет экономической эффективности от внедрения типового технологического процесса восстановления блоков (и гильз) цилиндров с аварийными дефектами 230
6.2 Расчет экономической эффективности от внедрения типового технологического процесса восстановления головки цилиндров с аварийными дефектами в виде коррозии и газовой эрозии привалочной плоскости 235
6.3 Расчет экономической эффективности от внедрения типового технологического процесса восстановления коленчатого вала с аварийными торцевыми износами упорного торца 240
6.4 Оценка народнохозяйственного эффекта от внедрения разработанных технологических процессов восстановления
базовых деталей двигателей 245
6.5 Выводы 246
7 Общие выводы 248
8 Список использованных источников
- Восстановление деталей композиционными материалами с металлической матрицей
- Условия обеспечения послеремонтного ресурса сборочной единицы с восстановленными деталями
- Методика исследования триботехнической работоспособности соединений на трибометре по схеме «круговое движение»
- Структура электроискровых покрытий на стали
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из приоритетных задач Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы является - стимулирование инновационной деятельности и инновационного развития агропромышленного комплекса. В этих условиях особую значимость приобретает разработка научно обоснованных технологий и рекомендаций по повышению ресурса отремонтированной техники на ремонтных предприятиях с использованием инновационных технологий, к которым относятся технологии восстановления и упрочнения изношенных деталей отечественной и зарубежной техники.
Результаты исследований фонда деталей и агрегатов автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин, поступающих в ремонт, показали, что в среднем из них 25...40% - остаются годными, около 20% - утилизируются, а остальные 40...55% - можно восстановить. При этом, в действительности в России доля восстановленных деталей в общем объеме запасных частей составляет не более 10... 12%. Но она может быть увеличена до 25% и более за счет повышения охвата восстановлением имеющегося ремонтного фонда.
Начиная с 1990 года, в Россию ежегодно ввозится большое количество зарубежной самоходной сельхозтехники, мелиоративных и дорожных машин, грузовых автомобилей. В большинстве случаев техника поступает без необходимой ремонтной документации, в том числе нет чертежей на детали и нет полных данных по дефектам, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации.
В настоящее время, как в России, так и за рубежом, практически отсутствуют технологии восстановления базовых деталей двигателей с аварийными дефектами, которые ведут к внезапным отказам, и соответственно, к значительным затратам на восстановление работоспособности. Например, блоков цилиндров (БЦ) с задирами, рисками на поверхности постелей и рабочей поверхности гильз; БЦ и головок блоков цилиндров (ГБЦ) с газовой эрозией привалочных плоскостей; коленчатых валов (KB) с предельным износом упорных буртов шеек. Доля указанных дефектов у базовых деталей двигателей от общего количества деталей поступивших на ремонт обычно невелика, от 3 до 5 %, но значительная стоимость таких ресурсоопределяющих деталей многократно превышает и оправдывает затраты на восстановление.
Структура отечественного производства по восстановлению деталей в последнее время имеет тенденцию на увеличение числа небольших предприятий, мастерских, участков, постов и т.п. с универсальным и (или) частично специализированным оборудованием, что ограничивает число устраняемых дефектов и ведет к увеличению числа выбраковки металлоемких и дорогостоящих базовых деталей двигателей еще в доремонтном или в 1 -ом межремонтном периоде эксплуатации. В то же время, накопленный отечественный опыт и совершенствование универсальных мобильных ресурсосберегающих методов восстановления и упрочнения деталей позволяют разрабатывать новые эффективные технологии восстановления изношенных деталей сельхозтехники с использованием компози-
ционных материалов с заданными свойствами, давая возможность увеличить долю восстанавливаемых деталей.
В связи с изложенным весьма актуальным является обеспечение работоспособности и повышение долговечности ресурсоопределяющих базовых деталей двигателей с аварийными дефектами на основе разработки научно обоснованных технологий и средств восстановления.
Цель работы. Обеспечение работоспособности и повышение долговечности базовых деталей дизельных двигателей с аварийными дефектами на основе разработки и внедрения новых технологий восстановления с применением композиционных материалов.
Объект исследования. Технологии и средства восстановления базовых деталей дизельных двигателей, методы прогнозирования их долговечности.
Предмет исследования. Закономерности влияния технологических и эксплуатационных факторов на прочностные и триботехнические свойства восстановительных покрытий изношенных деталей на основе композиционных материалов, а также на их работоспособность и долговечность после восстановления
Методы исследования. При проведении исследований использовались методы математического моделирования, статистики, функционального анализа, теории вероятностей, лабораторные, экспериментальные, а также патентные исследования.
Научную новизну работы составляют методы и средства обоснования и разработки технологий восстановления деталей двигателей применением дисперсно-упрочненных и комбинированных композиционных материалов, включающие:
алгоритм модели работоспособности восстановленных деталей в двигателе, предназначенный для комплексной оценки их эксплуатационной долговечности и безотказности по результатам ускоренных стендовых испытаний на усталость и триботехническую работоспособность;
обобщенную математическую модель усталостной долговечности стальных и чугунных деталей типа вал, позволяющую с большой достоверностью строить кривые равной вероятности распределения пределов выносливости и оценивать долговечность новых и восстановленных деталей, а также деталей из ремонтного фонда и оптимально планировать ускоренные стендовые испытания;
- новые износостойкие композиционные покрытия, функционально при
годные для восстановления БЦ с задирами коренных опор и рабочей поверхности
гильз, БЦ и ГБЦ с привалочными плоскостями, разрушенными коррозией и газо
вой эрозией, и KB с изношенными упорными буртами шеек;
новые данные о пластичности электроискровых композиционных покрытий;
новые данные о прочности и триботехнической работоспособности электроискровых, газодинамических и комбинированных электроискровых с газодинамическим напылением покрытий стали и чугуна;
- новые технологии восстановления базовых деталей дизельных двигателей
с аварийными дефектами композиционными материалами, обеспечивающие нор
мативный ресурс восстановленных деталей и сопряжений.
Практическую значимость работы представляют:
теоретически и экспериментально обоснованные методы и материалы для восстановления и упрочнения основных базовых деталей дизельных двигателей с аварийными дефектами;
рациональные параметры и режимы ЭИО и ХГДН при восстановлении базовых деталей дизельных двигателей с аварийными дефектами композиционными материалами;
модернизированная установка для ускоренных испытаний на усталость, оснащенная специальной программой для автоматической обработки данных результатов произведенных измерений с расчетом основных характеристик: изгибающего момента, площади сечения излома детали, момента сопротивления опасного сечения, напряжения в опасном сечении, предела выносливости;
усовершенствованная технологическая оснастка для обработки восстановленных деталей с приводом от электродрели для условий мелкосерийного часто переналаживаемого ремонтного производства: универсальное устройство для хо-нингования гильз цилиндров в блоке и последующей их финишной антифрикционной безабразивной обработки; устройство для расточки и хонингования коренных опор блоков цилиндров.
Работа выполнена по заказу Россельхозакадемии в соответствии с планом НИР ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии по теме «Разработать технологию и оборудование для нанесения наноматериалов на восстанавливаемые поверхности привалочных плоскостей блока цилиндров и головок блоков, упорных поверхностей коленчатых валов зарубежных двигателей типа MAN, DaimlerChrysler, Caterpillar, Mitsubishi и др.» (номер регистрации в базе РАСХН: RASHN. 7721020888.11.8.005.8/006).
На защиту выносятся:
алгоритм модели работоспособности восстановленных деталей в двигателе, предназначенный для комплексной оценки их эксплуатационной долговечности и безотказности по результатам ускоренных стендовых испытаний на усталость и триботехническую работоспособность;
математическая модель усталостной долговечности стальных и чугунных деталей, разработанная по результатам обобщений экспериментальных исследований разных авторов, позволяющая с большой достоверностью строить кривые равной вероятности распределения пределов выносливости и оценивать долговечность новых и восстановленных деталей, а также деталей из ремонтного фонда и оптимально планировать ускоренные стендовые испытания;
математическая модель прогнозирования ресурса по усталости деталей по результатам ускоренных стендовых испытаний;
математическая модель прогнозирования ресурса восстановленных деталей по задирам по результатам ускоренных стендовых испытаний;
композиционные электроискровые и комбинированные электроискровые и
газодинамические покрытия функционально пригодные для восстановления: блоков цилиндров с задирами на поверхности коренных опор и на рабочей поверхности гильз цилиндров; блоков и головок цилиндров с привалочными плоскостями, разрушенными коррозией и газовой эрозией; и коленчатых валов с упорными буртами шеек, поврежденными торцовым трением;
- новые технологии восстановления базовых деталей дизельных двигателей
с аварийными дефектами применением композиционных дисперсно-упрочненных
и комбинированных многослойных покрытий.
Реализация результатов работы.
Технологические процессы и технологическая оснастка прошли опытно-производственную проверку и внедрены на предприятиях ООО «ДАБ» (г. Москва), ООО «Агросервис» (г. Саранск), ООО «Дизель Ремсервис» (г. Саранск), ООО «Севертрансэкскавация» (г. Усинск), ИП «Яськин М.А.».
Результаты научно-экспериментальных исследований и модель работоспособности восстановленных деталей в двигателе, реализованная на персональном компьютере, используются в учебном процессе на кафедре «технического сервиса машин» института механики и энергетики ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева».
В лаборатории №11 ГОСНИТИ и в учебном научно-производственном центре Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева на участках по восстановлению деталей производятся услуги по восстановлению БЦ, ГБЦ и KB с аварийными дефектами по разработанным технологиям.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены:
на международных научно-технических конференциях: «Развитие села и социальная политика в условиях рыночной экономики», посвященной 70-летию МГАУ (Москва, 2000); «Упрочнение, восстановление и ремонт на рубеже веков» (Новополоцк, 2001); «Достижения и перспективы в области технического сервиса сельскохозяйственной техники и автомобилей», посвященной 90-летию со дня рождения Ю.Н. Петрова (Кишинев, 2011); 6-th international conference on materials science and condensed matter physics (Chisinay, 2012); "Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении" (ИМАШ РАН, Москва, 2012); "Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика" (СПГПУ, НПФ "Плазмо-центр", 2013); "Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин" (ГНУ ГОСНИТИ, Москва, 2011, 2012, 2013);
на всесоюзных и всероссийских конференциях и семинарах: по восстановлению деталей машин (Рига, 1987); «Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин» (ЦРДЗ, Москва, 1994); «Восстановление и упрочнение деталей - современный эффективный способ повышения надежности машин» (ЦРДЗ, Москва, 1997); "Состояние и перспективы восстановления, упрочнения и изготовления деталей" (ВНИИТУВИД "Ремдеталь", Москва, 1999);
на областных конференциях: «Повышение долговечности и надежности деталей машин методами упрочняющей обработки» (Саранск, 1988), «Методы и средства повышения надежности машиностроительных изделий» (Саранск, 1989).
Технологии и оборудование экспонировались на выставках:
- на XIII Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий "Архимед" (Москва, 2010), где удостоилась диплома и бронзовой медалью за разработку «Технологии восстановления коренных опор блоков цилиндров комбинированным методом»; на XIV Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий "Архимед" (Москва, 2011), где удостоилась диплома и серебряной медалью за разработку «Технологии восстановления шатунов комбинированным методом»; на международных специализированных выставках сельхозтехники "Агросалон-2009", Агросалон-2010"; на XIV международной агропромышленной выставке «Золотая осень - 2012», где удостоилась диплома и золотой медали «за разработку технологий ремонта агрегатов импортной техники с обеспечением 100% ресурса»; на XV международной агропромышленной выставке «Золотая осень - 2013».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 печатных работ, в том числе 37 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 7 авторских свидетельств и патентов на изобретения, 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, 2 отраслевых руководящих документа.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 380 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицы, 140 рисунков. Список литературы включает 154 источника.
Восстановление деталей композиционными материалами с металлической матрицей
БЦ является самой дорогой и металлоемкой деталью двигателя внутреннего сгорания. От технического состояния БЦ в большой мере зависит ресурс двигателя.
Блок двигателя внутреннего сгорания выполняется обычно в виде моноблока и представляет собой жесткую отливку. Существуют БЦ, выполненные из чугуна (твердость НВ 180-240), и БЦ, выполненные из алюминиевых сплавов (алюсил, локасил, никасил и др.) с высоким содержанием кремния [126]. По механическим свойствам чугун, применяемый для литья блоков, соответствует маркам СЧ 18-36, СЧ 21-40 и СЧ 24-44, СЧ 15-32, СЧ 32-52 и др. с легирующими присадками (никель, хром, марганец и т.п.).
К блоку цилиндров предъявляются следующие основные технологические требования: 1) твердость не менее НВ 170-240; 2) предел прочности при изгибе не менее 360 Мн/м (3600 кг/см ); 3) отсутствие трещин и раковин; 4) возможность снятия остаточных напряжений термической обработкой; 5) возможность защиты стенок от коррозии.
При конструкции двигателя с «мокрыми» гильзами в расточках блока устанавливаются съемные чугунные гильзы. Такая гильза устанавливается в БЦ по двум центрирующим поясам. В верхнем поясе она закрепляется буртом, а в нижнем уплотняется с помощью резиновых колец (сальников), размещенных в канавках БЦ. Между стенками БЦ и «мокрыми» гильзами циркулирует охлаждающая жидкость. В БЦ без «мокрых» гильз охлаждающая жидкость циркулирует в полостях между цилиндрами и стенками блока.
Появление дефектов в блоке может быть вызвано естественными и аварийными причинами. К естественным причинам можно отнести старение детали в процессе накопления повреждений в виде износа, деформаций, усталостных повреждений и т.п. К ним же можно отнести появления дефектов в блоке в виде деформации, возникающие при изготовлении блоков. После литья в блоке всегда остаются внутренние напряжения (что особенно характерно для чугунных блоков). Свежеотлитый чугун имеет низкую прочность, которая нарастает во времени (процесс старения). После завершения этого процесса чугун приобретает регламентированную прочность. Прочность свежеотлитого чугуна примерно в 2 раза ниже регламентированной. Низкая прочность свежеотлитого чугуна является основным фактором, способствующим искажению геометрических параметров блока [81].
Несоосность коренных опор в блоке возникает также по ряду причин. Наряду с естественной деформацией встречаются задиры поверхности в результате перегрева и проворачивания вкладышей коренных подшипников KB, деформация крышек подшипников, а также случаи замены крышки при ремонте на предприятии на другую из-за ее утери или невозможности восстановления [153].
Нарушение условий эксплуатации также может привести к появлению дефектов. Так, перегрев двигателя в процессе эксплуатации способствует ускоренному образованию трещин между перемычками цилиндров.
Обзор дефектов по блокам цилиндров разных марок двигателей показал, что помимо основных дефектов, являющихся следствием естественного накопления повреждений в процессе эксплуатации и старения детали, имеются ещё до 15 дефектов, типа газовой эрозии плоскости прилегания, задира на поверхности коренных опор, износа гнезда под опорный бурт гильзы цилиндра, царапин гильз, трещин и пробоин различной формы и мест возникновения и т.д., коэффициенты повторяемости которых меньше 0,02. В эксплуатации такие дефекты, назовем их «аварийными», обычно проявляются в виде внезапного отказа двигателя, часто сопровождающегося значительными материальными затратами на восстановление его работоспособности.
Отсутствие внимания к этим дефектам привело к дефициту или даже отсутствию в ремонтном производстве обоснованных технических решений по их устранению. Рассмотрим основные из аварийных дефектов (таблица 1.1).
Газовая эрозия и коррозия, деформация (коробление), механические повреждения на поверхностях привалочных плоскостей БЦ возникают в результате утечки выхлопных газов или охлаждающей жидкости нагретой выше максимально допустимой температуры, нарушения нормального режима работы камеры сгорания или циркуляции охлаждающей жидкости [2, 17,18,54, 97, 112, 143, 149, 151, 154, 165].
Дефекты обычно имеют местные кавитационные (газоэрозионные) разрушения поверхностного слоя металла глубиной более 300 мкм в зоне прохода многочисленных каналов системы охлаждения двигателя, а также возможна деформация плоскости вследствие перегрева двигателя (рисунок 1.3-1.6). Для устранения этих дефектов двигатель снимается с машины, разбирается и наносится слой металла термическими методами. Затем привалочная плоскость подвергается механической обработке с применением крупногабаритных и дорогостоящих плоскошлифовальных и фрезерных станков, что в условиях ремонтных мастерских и малых предприятий практически нереализуемо.
Эрозия плоскости прилегания БЦ Поэтому ремонт блока с газовой эрозией привалочной плоскости без снятия двигателя с машины или со снятием, но без использования для механической обработки плоскошлифовальных и фрезерных станков является весьма актуальной задачей. С другой стороны, если при устранении выше отмеченных дефектов вместо нанесения восстановительного покрытия термическими методами применяется только механическая обработка, что широко используется многими предприятиями, удаление слоя металла с привалочной плоскости нецелесообразно, так как уменьшается размер до оси КВ. Поэтому поиск и разработка альтернативных методов восстановления привалочной плоскости БЦ с минимальным припуском на механическую обработку является актуальной задачей.
Задир поверхности коренных опор БЦ возникает в результате перегрева и проворачивания вкладышей коренных подшипников KB, деформации крышек подшипников, а также в случае замены крышки на другую из-за ее утери или невозможности восстановления [116].
Наиболее простой и часто используемый метод восстановления изношенных поверхностей опор коренных подшипников БЦ - растачивание этих поверхностей и использование вкладышей ремонтного (увеличенного) размера. При отсутствии вкладышей ремонтного размера опоры восстанавливают путем фрезерования плоскостей разъема крышек коренных подшипников на 0,3-0,4 мм и последующего растачивания до нормального размера при условии сохранения допустимого размера расстояния от оси отверстия опор до верхней плоскости БЦ. При наличии повреждений отдельных коренных опор БЦ (задиров) ремонту подвергаются только они. Износ от проворотов вкладышей составляет 0,2-0,6 мм. В этом случае поврежденную крышку коренной опоры растачивают под размер, увеличенный против номинального на 0,5-1,0 мм на диаметр, а полуокружность опоры в блоке наплавляют электродуговой или газовой наплавкой.
Чтобы добиться высокой точности и затратить минимум времени, эту операцию лучше всего выполнить на специализированном горизонтально-расточном станке. Правда, стоимость этого оборудования немалая. Разумной альтернативой могут быть универсальные станки различных типов, оснащенные специальными приспособлениями. Однако в любом случае после растачивания следует хонинговать поверхность опор. Что, как упоминалось выше, требует значительных затрат, а в условиях разномарочного ремонта и небольших предприятий, характеризующих современное ремонтное производство, сложно реализуемо.
Дешевый и технологичный способ восстановления коренных опор БЦ формованием металлополимерных композиционных материалов на анаэробной основе был разработан в ВНПО «Ремдеталь» в 1998-2002 гг. и внедрен на ряде сельхозпредприятий Мордовской республики. Способ не требовал механической обработки после нанесения покрытия. Однако применение в условиях разномарочного состава ремонтного фонда осложнено необходимостью изготовления дорогостоящей формующей оправки под каждую марку БЦ. Накопленный опыт в направлении восстановления изношенных неподвижных соединений корпусных деталей и приобретение опыта создания и нанесения новых металлополимерных композиционных материалов (приложения А-Г) позволило обозначить новые задачи и вплотную подойти к вопросам восстановления изношенных деталей новыми, перспективными методами нанесения композиционных материалов: электроискровая обработка поверхности и газодинамическое напыление порошковых материалов.
Износ, сколы, разрушение нижнего посадочного пояска под гильзу на БЦ, конструктивно выполненных с «мокрыми» гильзами, в виде разрушения поверхности нижнего посадочного пояска под гильзу (сколы, коррозия, износ и т.п.), на ремонтных предприятиях устраняются постановкой ремонтной втулки (рисунок 1.7) [185, 186]. При ремонте БЦ с подобными дефектами фирма Caterpillar рекомендует изготавливать втулки из литейного чугуна, отвечающего требованиям технических условий 1Е18 [185].
Условия обеспечения послеремонтного ресурса сборочной единицы с восстановленными деталями
Для комплексной оценки эксплуатационной долговечности восстановленной детали двигателя модель её работоспособности может быть представлена в виде системы последовательно соединенных элементов, описывающих ее состояние по основным показателям, формирующим ресурс. В большинстве случаев это: сопротивление усталости, износостойкость и задиростойкость. Описывая работу восстановленной детали в двигателе, следует учитывать отказы и других его деталей. То есть, четвертый элемент системы должен характеризовать двигатель в целом без учета отказов рассматриваемой детали. В связи со сложными стохастическими связями между указанными элементами этой системы задача решалась с использованием метода статистического моделирования, то есть метода «Монте-Карло» [127, 134].
Алгоритм модели работоспособности системы «деталь-двигатель» представлен на рисунке 2.1.
На каждом шаге моделирования t+At (где t - контролируемая наработка системы, At - интервал моделирования) оцениваются случайные наработки восстановленной детали по усталости ty, по задиру t3, случайные износы детали (соединений) W и предельные их величины Wnp, а также случайные наработки двигателя без учета отказов восстановленной детали t .
Для описания рассматриваемых случайных величин связанных с процессами старения детали и двигателя использован усеченный нормальный закон. Вид распределения рассматриваемых наработок и износов при моделировании процесса случайных отказов Q и оценки среднего ресурса системы Т существенного влияния на результат вычислений не оказывает, НАЧАЛО
Алгоритм модели работоспособности системы «деталь двигатель» в межремонтном периоде эксплуатации так как для этого достаточно исходной информации в виде их математического ожидания и коэффициента вариации [90, 124].
Вместе с тем, использование усеченного нормального закона значительно упрощает математический аппарат моделирования и исключает область отрицательных значений случайных величин.
Поэтому случайные наработки на отказ детали по критериям сопротивления усталости и задиростойкости, а также двигателя без учета отказов рассматриваемой детали, определяются по формулам: где Ту, Т3, Тд - математические ожидания наработки на отказ детали, соответственно, по усталости и задиру, и двигателя без учета отказов рассматриваемой детали, тыс.км. (мото-час); xt - случайное число, распределенное по нормальному закону, с математическим ожиданием равным нулю; Vy, V3, Vd - коэффициенты вариации случайных величин ty, t3, td.
Условием появления отказа детали по усталости или задиру, или двигателя в целом без учета отказов рассматриваемой детали, является выполнение, соответственно, одного из неравенств: (2.5) где W - износ детали (соединения), ед. износа; С - скорость изменения параметра износа под влиянием внутренних факторов работы машины, ед. износа / (ед. наработки)9; р - показатель степени функции износа; АП - показатель приработки, учитывающий приработку детали (соединения), численно равный значению ординаты при t=0 , ед. износа.
Испытания завершаются при превышении величины заданного числа испытаний щ текущим числом испытаний п, контролируемым на каждом шаге моделирования t + At. Выходными параметрами модели являются вероятности отказов детали по усталости Qy, по износу Qu, по задиру Q3 и двигателя в целом без учета отказов рассматриваемой детали Qd, а так же средний межремонтный ресурс системы двигатель-деталь Т. Оценка вероятностей отказов произведена по формулам:
Адекватность модели работоспособности системы двигатель-деталь с эксплуатационными испытаниями устанавливается для каждой исследуемой марки двигателя. При этом необходимым условием является организация (получение) эксплуатационной статистической информации, начиная с начала эксплуатации нового двигателя до 3-го капитального ремонта, по следующим параметрам: Т, Ту, Т3, Тд, Unp, Qy, QH, Q3, Од.
Другой необходимой информацией для установления адекватности модели и эксплуатационных испытаний являются результаты ускоренных стендовых испытаний на усталость деталей исследуемой марки. В результате обработки исходной информации, полученной по данным эксплуатационных и стендовых испытаний деталей, определяются входные параметры модели.
Варьированием значениями ресурсов Ту, Т3, Тж в пределах полученных доверительных интервалов на входе модели обеспечивается достижение на выходе значений вероятности отказов Qy, QH, Q3, Qfl и значения среднего ресурса двигателя Т, соответствующих эксплуатационным значениям. Требуемая точность моделирования обеспечивается подбором значений параметров At и nk.
Разработка математической модели усталостной долговечности восстановленных деталей по результатам ускоренных стендовых испытаний Применяемые на практике методы ускоренной оценки долговечности и предела выносливости малых образцов и натурных изделий не обеспечивают сопоставимость получаемых результатов. Кроме того, результаты ускоренной оценки долговечности деталей современными методами обладают низкой достоверностью [12, 26, 71, 111].
В предлагаемом методе прогнозирования долговечности и предела выносливости изделий при переменной нагрузке используются экспериментальные данные, полученные при высоких уровнях нагружения [121, 123, 124, 128, 172].
Достоверность и точность метода проверена на статистически представительных экспериментальных данных, взятых из разных источников, охватывающих железоуглеродистые, легкие и цветные конструкционные сплавы, а также на результатах испытаний натуральных деталей восстановленных и новых KB автотракторных двигателей.
При использовании для прогноза долговечности детали закона Вейбулла интегральная функция распределения случайных величин может быть представлена в виде:
Методика исследования триботехнической работоспособности соединений на трибометре по схеме «круговое движение»
Контактные деформации разделяют на нормальные и тангенциальные. Соответственно, говорят о нормальных контактных смещениях - уа, нормальной контактной жесткости - к и тангенциальных контактных смещениях - ут, тангенциальной контактной жесткости - кт. И те и другие проявляются в одних и тех же стыках.
Под действием нормальной силы Р (рисунок 3.17) соприкасающиеся микровыступы деформируются (сжимаются) и верхняя деталь сместится на величину уа.
Экспериментально смещение регистрируется датчиком 3, который неподвижно закреплен на верхней детали и перемещается вместе с ней относительно выступа 4 нижней детали. Аналогично определяется тангенциальное контактное смещение ут , то есть с возрастанием силы F верхняя деталь смещается относительно нижней на величину ут. Сила N при этом постоянна.
В последнем случае речь идет о смещении, которое наблюдается до начала проскальзывания одной детали относительно другой, которое принято называть "предварительным смещением".
При малых номинальных площадях контакта менее (1,0...1,5)-10- мм , когда влиянием отклонений от плоскостности можно пренебречь, нормальные контактные смещения уа в направлении силы N (рисунок 3.17) определяются эмпирической зависимостью [82]: где а - среднее давление или контактное напряжение; С, т — соответственно, коэффициент и показатель степени, зависящие от материала, шероховатости поверхности, вида обработки и др., определяются из эксперимента.
В настоящее время имеются данные о контактной жёсткости механически обработанных поверхностей, но нет данных о контактной жесткости поверхностей восстановленных тем или другим методом.
Испытания стойкости восстановленных деталей, то есть их сопротивляемости смятию и разрушению является исходным для суждения о качестве покрытий деталей и правильности выбранного метода восстановления.
Метод состоит в следующем, на шлифованные торцы образцов наносится исследуемое покрытие. После этого каждому образцу прикладывается нормально направленное на сжатие усилие. Под действием нормальных напряжений происходит разрушение материала покрытия, а усилие при разрушении характеризует прочность покрытия. Предел прочности при сжатии определяют по формуле: a = N/F0. (3.38) где N - наибольшая нагрузка, F0 - площадь поперечного сечения образца до испытания. 125 Относительное укорочение образца при сжатии определяется в процентах по формуле: Е = - х 100 = Я Н х 100, я я (3.39) где Н0 - начальная высота образца; Н - высота образца после испытания. Приближённую оценку контактной жёсткости покрытий, образованных ЭИО проводили в следующей последовательности.
Электроискровое покрытие наносилось на шлифованную поверхность чугунного образца размером 80x70 мм (рисунок 3.18), затем образец разрезался по разметке для получения отдельных образцов, размером 10x10мм.
Параметры толщины покрытия представлены в п.3.4.1 и на рисунке 3.13: Rt (Pt) - Максимальное расстояние пик-впадина профиля в пределах длины оценки Amin - Расстояние от точки на необработанной поверхности до максимальной впадины обработанной поверхности Атах - Расстояние от точки на необработанной поверхности до максимального выступа обработанной поверхности
Оснастка для испытаний выполнена в виде стального блока (сталь 45), имеющего 6 сквозных отверстий для испытуемых образцов (сталь 45 или СЧ) в виде штифта с резьбовой
При подготовке к работе образцы вставляются в блок, и их головки (Ml4x2) подпираются упорными гайками (М27хЗ) - рисунок 3.22а.
С другой стороны блока выходящие из него торцы образцов зашлифовываются заподлицо с поверхностью блока. На шлифованную поверхность блока, где на нее выходят торцы образцов, наносится покрытие.
Последовательность при этом такова: над испытываемым образцом отворачивается упорная гайка М27хЗ; на резьбовую часть головки образца Ml4x2 накидывается гайка испытательного устройства, к которой прикладывается усилие на отрыв, создаваемое этим устройством (до 2 кН с точностью нагружения до 0,01 кН) - рисунок 3.226. Испытания на отрыв проводятся с каждым образцом последовательно. При нагружении образца нормальным усилием (направленным по оси) испытания могут завершаться в виде: - отрыва всей площади торца штифта от покрытия, при котором происходит разрыв адгезионных связей между поверхностями торца штифта и покрытия; - отрыва всей площади торца штифта с покрытием, при котором покрытие разрушается срезом по контуру отверстия, то есть нарушаются когезионные связи в покрытии; - отрыва части площади покрытия с торцом штифта и сохранения его части на корпусе блока, при котором происходит смешанное разрушение покрытия, то есть разрушаются как когезионные так и адгезионные связи.
Структура электроискровых покрытий на стали
Процесс фреттинг-коррозионного изнашивания является определяющим в нарушении посадки как нового, так и восстановленного неподвижного соединения деталей. Экспериментально интенсивность развития процесса фреттинг-коррозии железоуглеродистых сплавов достаточно хорошо исследована, что же касается восстановленных соединений с применением электроискровой обработки (ЭИО) и холодного газодинамического напыления (ХГДН), то изучению влияния их состава на изменение триботехнических характеристик неподвижных соединений должного внимания не уделялось.
Для исследования фреттинг-коррозионной стойкости восстановленных разными материалами неподвижных соединений типа «отверстие - вкладыш» (например: «нижняя головка шатуна - вкладыш коленчатого вала», «постель блока - вкладыш коленчатого вала», привалочные плоскости блока и головки цилиндров) использовалась методика ГОСТ 23.211-80 [47].
В качестве эталонов для сравнения были выбраны сопряжения: «сталь 40Х -сталь 40Х» - для покрытий на сталь; «серый чугун - сталь 45» - для покрытий на чугун.
Испытания сопряжений проводились в условиях сухого трения при нагрузке Р = 200 Н и граничного трения (капельная смазка маслом М10Г2К) при нагрузке Р = 400 Н.
В процессе эксперимента фиксировались нагрузка, частота и время нагружения образцов. После (0,25...1,5)106 циклов нагружения определялась величина износа образцов и рассчитывались их износостойкости.
Результаты оценки фреттинг-коррозионной стойкости стальных и чугунных образцов эталлонных и с композиционными покрытиями методом ЭИО, ХГДН и комбинированием ЭИО с ХГДН в условиях сухого и граничного трения представлены в Приложении С и на гистограммах на рисунках 4.62-4.63.
Анализ структуры поверхности образцов после испытаний в присутствии образовавшихся окислов показал значительную ее дефектность и наличие слоя с микротрещинами, кавернами, раковинами, заполненными порошкообразными продуктами изнашивания, что подтверждается исследованиями других авторов [91]. Увеличение объема окисленной дефектной массы создает условия для роста давления в зоне контакта поверхностей и появлению задиров, схватывания и вырывов на поверхностях, что ведет к снижению параметров работоспособности сопряжения. При расчете износостойкости такого сопряжения целесообразно приращение дефектной массы окисленной поверхности образцов учитывать как продукты износа не выведенные из зоны контакта поверхностей.
Сравнительный анализ исследуемых сопряжений по элементам в условиях сухого и граничного трения показал (рисунки 4.62 и 4.63), что для образцов характерен больший в 1,4...6,0 раз износ, чем для контробразцов, и только в эталонных сопряжениях «сталь 40Х - сталь 40Х» и «серый чугун - сталь 45» в условиях граничного трения больше изнашивался контробразец, соответственно, в 2,2 раза и в 1,1 раза.
Меньшие износы образцов в сравнении с контробразцами для большей части испытанных сопряжений были получены в связи с более высокой твердостью их материала. Более высокая твердость предполагает более высокую прочность на разрыв и более высокую усталостную прочность. И поскольку повреждение при фреттинге включает разрушение поверхности за счет локальных процессов усталости при высоких напряжениях степень повреждений поверхности уменьшается с увеличением поверхностной твердости [147]. Кроме того, абразивное действие окисленных продуктов разрушения является существенным фактором в фреттинг-коррозии. Следовательно, чем выше поверхностная твердость, тем выше сопротивление абразивному действию и тем меньше повреждение.
Выделяющийся из общего числа испытаний повышенный износ контробразцов в сравнении с образцами в сопряжениях «сталь 40Х - сталь 40Х» и «СЧ - сталь 45» в условиях граничного трения (с маслом М10Г2К) получен вследствие обработки их поверхности до более низкой шероховатости, соответственно, в среднем в 1,4 и 1,8 раза. По общим наблюдениям, чем выше степень окончательной обработки поверхности, тем серьезнее повреждение от фреттинга [147]. При испытаниях сопряжений «сталь 40Х - сталь 40Х» и «СЧ -сталь 45» в условиях сухого трения с поверхностью образцов и контробразцов, обработанных с одинаковой чистотой, были получены износы образцов большие, чем у контробразцов, что подтверждает вышеизложенное.
Лучшие показатели фреттинг-коррозионной стойкости среди испытанных сопряжений с покрытиями на неподвижных образцах были определены у сопряжения «сталь 40Х+ЭИО БрКМцЗ-1 - сталь 40Х» (рис. 4.62 и 4.63). Интенсивность его износа в сравнении с эталонными сопряжениями «сталь 40Х -сталь 40Х» и «СЧ - сталь 45» в условиях сухого трения меньше, соответственно, в 3,87 ив 1,53 раза, а в условиях граничного трения больше в 2,6 и 1,7 раза, соответственно.
У сопряжений «сталь 45+ХГДН С-01-01 - сталь 45», «сталь 45+ХГДН А-80-13 - сталь 45» фреттинг-коррозионная стойкость в сравнении с эталонным сопряжением «сталь 40Х - сталь 40Х» уменьшается в условиях сухого трения, соответственно, в 3,4 и 6,2 раз, а в условиях граничного трения, соответственно, в 8,9 и 12,3 раз. То есть, сопряжения с покрытиями ХГДН обладают в 3,4-6,3 раз более низкой стойкостью к процессам фреттинга, чем сопряжения с покрытиями ЭИО.
Применение комбинированного покрытия ЭИО+ХГДН улучшает его фреттинг-коррозионную стойкость в сравнении с покрытием только методом ХГДН. Износостойкость сопряжения в этом случае может быть получена на уровне сопряжения с покрытием ЭИО.
Из гистограмм на рисунке 4.63 видно, что комплексная интенсивность износа сопряжений с комбинированными композиционными покрытиями (ЭИО БрКМцЗ-1+ХГДН С-01-11 и ЭИО БрКМцЗ-1 + ХГДН А-80-13) меньше, чем у сопряжений с покрытиями ХГДН (С-01-11 и А-80-13), в среднем в 1,8 раза. При этом, лучшим (наименьшим) показателем интенсивности износа отличалось сопряжение с комбинированным композиционным покрытием: ЭИО БрКМцЗ-1 + ХГДН А-80-13. Визуальная оценка плотности комбинированного композиционного покрытия образца выявила наличие значительного числа пор и раковин, что очевидно повлияло на выходной результат по оценке средней величины интенсивности износа сопряжений. Это указывает на необходимость проведения дальнейших исследований по оптимизации технологических режимов нанесения и уплотнения комбинированных композиционных покрытий (лучшего по результатам предварительного исследования).