Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Гильза цилиндра - ресурсоопределяющая деталь двигателей внутреннего сгорания 9
1.2. Способы восстановления работоспособности гильз цилиндров 18
1.3. Тепловое формоизменение металлических тел и его технологическое использование - 31
Выводы, цель и задачи исследования 37
Глава 2. Теоретические предпосылки восстановления внутренней поверхности гильз цилиндров термопластическим деформированием 39
2.1. Температура. Температурное поле. Термические напряжения и деформация 39
2.2. Необходимые условия теплового формоизменения металличеких тел 58
Выводы по главе 66
Глава 3. Методика экспериментальных исследований 68
3.1. Общая методика. 68
3.2. Экспериментальная установка (описания и порядок работы) 72
3.3. Предварительный эксперимент 88
3.4. Методика математического планирования эксперимента 89
3.5. Методика оценки термонапряженного состояния гильз цилиндров при термопластическом деформировании 93
3.6. Методика механических испытаний на растяжение материала гильз цилиндров 97
3.7. Оценка погрешностей измерений 98
Глава 4. Результаты экспериментального исследования 100
4.1. Температурное поле в цилиндрической оболочке 100
4.2. Результаты предварительных экспериментов 104
4.2.1. Максимальная температура нагрева 104
4.2.2. Интенсивность нагрева и охлаждения 106
4.2.3. Высота индуктора 107
4.2.4. Подогрев 109
4.2.5. Толщина стенки цилиндра. Скоростной режим 110
4.2.6. Число предшествовавших циклов теплового воздействия 114
4.3. Оценка термонапряженного состояния гильз цилиндров при термопластическом деформировании 115
4.4. Математическое моделирование процесса термопластического деформирования гильз цилиндров двигателей типа ЯМЗ и КамАЗ 118
4.5. Стабильность процесса термопластического деформирования гильз цилиндров 126
Глава 5. Использование результатов проведенных исследований. Оценка экономической эффективности от внедрения в производство результатов работы 129
5.1. Технологический процесс восстановления гильз цилиндров термопластическим деформированием- 129
5.2. Прикладное значение результатов проведенных исследований 131
5.3. Определение экономического эффекта от внедрения технологии восстановления гильз цилиндров термопластическим деформированием 132
Общие выводы 136
Список литературы
- Способы восстановления работоспособности гильз цилиндров
- Необходимые условия теплового формоизменения металличеких тел
- Методика математического планирования эксперимента
- Число предшествовавших циклов теплового воздействия
Введение к работе
Дальнейшая интенсификация сельского хозяйства требует повышения надежности сельскохозяйственной техники, эффективности ее использования, повышения уровня технического обслуживания и ремонта.
В связи с этим в условиях все более жестких рыночных отношений одной из актуальных проблем ремонтно-обслуживающей отрасли сельскохозяйственного производства становится обеспеченность запасными частями. Эффективным методом, позволяющим частично решить эту проблему, является восстановление изношенных деталей и, в первую очередь, основных и базовых деталей, как наиболее дорогостоящих и металлоемких, как деталей, определяющих надежность отремонтированных машин. К числу таких деталей относятся гильзы цилиндров дизелей, работающих в наиболее тяжелых условиях, и износ которых, в значительной степени, определяет срок службы двигателя, его надежность и экономичность.
Существующие в настоящее время способы восстановления внутренней поверхности гильз цилиндров из-за несовершенства и сложности технологического процесса или недостаточной долговечности восстановленных деталей, высокой трудоемкости и дороговизны и ряда других причин не находят широкого применения в ремонтной практике. Это приводит к тому, что из общего количества расходуемых при ремонте двигателей гильз цилиндров повторно используется менее 10 %. Вследствие этого происходит неоправданно высокий расход дорогостоящих запасных частей, значительный расход металла.
Следовательно, массовое и качественное восстановление гильз цилиндров - одна из важнейших и сложных проблемных задач обеспечения работоспособного состояния используемых дизелей в сельском хозяйстве. Решить ее можно, главным образом, за счет организации восстановления гильз цилиндров на современной основе индустриальными методами, то
5 есть на крупных централизованных предприятиях с применением поточно-механизированных линий, а также совершенствования существующих и разработки прогрессивных технологий на принципиально новой рациональной основе.
В связи с этим в результате проведенных исследований, суть которых изложена ниже, был разработан новый способ восстановления гильз цилиндров термопластическими деформированием, который имеет высокую производительность и не требует применения дорогостоящих материалов.
Процесс термопластического деформирования гильз цилиндров осуществляется путем их непрерывно-последовательного нагрева токами высокой частоты и охлаждения водяным душем, то есть нагрев и охлаждение производиться не сразу всей поверхности, а последовательно одного участка за другим, в результате чего возникают резко изменяющиеся (как от точки к точке цилиндра, так и в каждой точке во времени) термические напряжения. Под действием этих напряжений, когда металл становиться пластичным, происходит пластическая деформация гильз цилиндров в окружном направлении с уменьшением внутреннего диаметра на величину, позволяющую обработать ее под номинальный размер.
Целью настоящей работы явилось комплексное исследование термопластического деформирования изношенных гильз цилиндров ДВС, на основании которого разработаны рациональные режимы и технологические параметры обработки гильз при их восстановлении.
Объектом исследования являлся процесс восстановления внутренний поверхности гильз цилиндров термопластическим деформированием.
Предметом исследования служили изношенные гильзы цилиндров автотракторных двигателей и, в первую очередь, двигателей типа ЯМЗ и КамАЗ широко используемые в сельском хозяйстве страны.
Предпосылками разработки процесса восстановления гильз цилиндров термопластическим деформированием послужили анализ научно-
технической и патентной литературы, касающейся причин и закономерностей необратимого формоизменения металлических тел при их тепловом воздействии, оценка напряженно-деформированного состояния тонкостенной цилиндрической оболочки, находящейся в условиях осесимметричного температурного нагружения. В свою очередь анализ механизма необратимого теплового формоизменения цилиндрической оболочки позволил выдвинуть гипотезу о возможности осуществления восстановления гильз цилиндров термопластическим деформированием путем создания в них квазистационарного температурного поля в виде движущейся "тепловой волны", или, иначе говоря, создания осевого температурного градиента большой крутизны.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
Установить причины и необходимые условия возникновения термических напряжений и деформаций в металлических телах и цилиндрических оболочках при воздействии на них температурных полей.
Разработать технологическую схему термопластического деформирования изношенных гильз цилиндров, обеспечивающую восстановление их до номинального размера.
Выявить основные факторы, определить закономерности их влияния на качественные и количественные характеристики термопластического деформирования цилиндров.
Произвести расчетно-экспериментальную оценку и анализ термонапряженного состояния гильз цилиндров при их восстановлении термопластическим деформированием.
5.Разработать рекомендации по восстановлению гильз цилиндров термопластическим деформированием и дать технико-экономическую оценку предложенной технологии.
Методологической основой исследования служили основные положения сопротивления материалов, теория температурных напряжений, теория оболочек и пластин, теория приспособляемости, теория индукционного нагрева, теория и практика восстановления деталей машин.
Для выявления закономерностей термопластического деформирования гильз цилиндров применялась методика математического планирования экспериментов.
Научная новизна и теоретическая значимость результатов работы заключается в следующих положениях:
— исследовано термонапряженное состояние гильз цилиндров при их
термопластическом деформировании;
— экспериментально установлены, объяснены и описаны математиче
скими моделями закономерности процесса термопластического деформи
рования гильз цилиндров;
-для восстановления внутренней поверхности гильз цилиндров до номинального размера предложен новый способ (А.с. 969495 В 23 Р 7/02), основанный на ее термопластическом деформировании за счет создания в детали непрерывно-последовательно осевого температурного градиента.
— разработаны номограммы, позволяющие определять величину пла
стической деформации гильз цилиндров в зависимости от технологических
параметров процесса их восстановления;
Практическая ценность работы заключается в том, что разработана новая технология восстановления гильз цилиндров до номинального размера термопластическим деформированием. Разработана и испытана технологическая оснастка для осуществления процесса на ремонтных предприятиях.
Результаты работы позволили предложить способ термического соединения деталей типа вал - втулка (А.с. 998078 В 23 Р 11/02).
Представленные в диссертации материалы могут найти применение в
8 научно-исследовательских организациях, занимающихся вопросами поведения конструкции в условиях теплосмен или при разработке технологий, основанных на рациональном использовании процесса теплового формоизменения.
Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается достаточным объемом экспериментов, применением комплекса современных информативных и объективных методов исследования, подбором современной измерительной аппаратуры, систематической ее проверкой и контролем погрешностей, обработкой экспериментальных данных с использованием ЭВМ. Научные выводы и практические рекомендации обоснованы результатами, полученными в ходе экспериментов.
Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции "Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин" г. Челябинск, 1998 г.; межвузовских научно-технических конференциях Челябинского агроинженерного университета, 1996...2000 гг.; научно-технических конференциях Челябинского военного автомобильного института 1996... 2000 гг.; Всероссийском семинаре-совещании "Увеличение объемов восстановления изношенных деталей машин и повышение их качества" г. Челябинск, 1984 г.
Технологический процесс восстановления гильз цилиндров термопластическим деформированием внедрен на Кустанайском заводе ремонта двигателей.
По теме диссертации имеется 9 публикаций. Отдельные вопросы работы более подробно освещены в отчетах по научно-исследовательским работам, выполненных при участии автора.
Диссертация содержит 199 страниц в том числе 42 рисунка, 6 таблиц и состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 145 наименований и приложения.
Способы восстановления работоспособности гильз цилиндров
Одним из распространенных в ремонтной практике способов восстановления внутренней поверхности гильз цилиндров автотракторных двигателей является расточка их под ремонтные размеры поршней с последующим хонингованием и другими операциями, увеличивающими срок службы [12, 20, 21, 56, 78, 85 и др.]. Применение этого способа базируется на условии сохранения твёрдости рабочей поверхности гильз как после экс плуатации, так и после снятия части закалённого слоя при расточке. Однако опытными работами [14, 15] установлено, что ресурс гильз цилиндров, обработанных на ремонтный размер, значительно ниже, чем новых. Одной из основных причин этого является переход на уровень новой поверхности, отличающейся пониженной твёрдостью и более высоким разбросом её численных значений (пятнистостью).
Так, для гильз двигателей ЯМЗ-240Б средние значения твёрдости внутренней поверхности, обработанной под ремонтный размер (расточка и алмазное хонингование), находятся в пределах HRC 19,2...37,6. Для новых гильз твёрдость должна быть HRC 42...46. Аналогичная картина наблюдается у гильз двигателей СМД-14 [45].
Для устранения этого недостатка был разработан процесс ремонта гильз цилиндров с применением термической маршрутно-операционной обработки [120]. Суть её заключается в том, что изношенные гильзы перед расточкой подвергаются высокому отпуску, а затем внутренняя поверхность гильзы закаливается вновь на глубину 1,8...2,0 мм в результате чего твёрдость рабочей поверхности гильзы доводится до номинала.
Способ восстановления гильз цилиндров обработкой под ремонтные размеры обладает ещё целым рядом недостатков, а именно: - нарушается принцип полной взаимозаменяемости деталей при ремонте; - увеличивается номенклатура запасных частей; - исключается возможность восстановления поршней автотракторных двигателей. Однако стоимость поршней современных дизелей высока и отказ от их восстановления приводит к неоправданному увеличению себестоимости ремонта двигателей, большому расходу запасных частей; - увеличивается рабочий объём цилиндра, изменяется степень сжатия и, следовательно, нарушаются условия работы двигателя [72]; - данный способ ремонта не позволяет восстанавливать гильзы цилиндров с предельными износами. Так, например, для гильз цилиндров двига телей типа ЯМЗ установлен только один ремонтный размер, который больше номинального на 0,5 мм. Вследствие этого по техническим условиям подлежат восстановлению гильзы цилиндров только с износом до 0,35 мм [21, 56], что составляет менее 80 % гильз цилиндров, поступающих в капитальный ремонт (см. рис. 1.3). Гильзы цилиндров с большими изно-сами восстановлению не подлежат и поэтому идут в утиль.
В силу названных причин применение ремонтных размеров для гильз цилиндров не является прогрессивным.
Восстановление внутренней поверхности гильз цилиндров до номинальных размеров, в настоящее время, может осуществляться гальваническими покрытиями, гильзовкой пластинами, наплавкой, термопластическим обжатием.
Среди гальванических способов, используемых для восстановления внутренней поверхности гильз цилиндров, наиболее известным и всесторонне разработанным является хромирование в холодных саморегулирующихся электролитах [20, 79, 124, 125]. Обычно технологический процесс включает в себя: шлифование или тонкая расточка внутренней поверхности; обезжиривание с последующей промывкой в горячей и холодной воде; химическое травление с последующей тщательной промывкой в горячей и холодной воде; монтаж гильз в анодное приспособление; декапирование гильз в рабочем электролите хромирования; хромирование; демонтаж гильз с последующей промывкой в горячей и холодной воде; термообработка; механическая обработка.
Необходимые условия теплового формоизменения металличеких тел
Наличие достаточно больших термических напряжений является первым необходимым, но далеко не достаточным условием необратимого теплового формоизменения. Возможность определения необходимых условий формоизменения дают расчетные методы конструктивного элемента на прочность.
В настоящее время существуют два основных подхода к расчетной оценке прочности конструкций, испытывающих переменные нагружения. Первый из них, наиболее строгий, состоит в детальном исследовании процесса неупругого деформирования конструктивного элемента при заданной программе изменения внешних воздействии. Однако реализация такого подхода связана с решением целого ряда достаточно сложных проблем. Главная из них состоит в разработке модели среды, позволяющей описать наиболее существенные особенности процессов упругопластического деформирования материалов при различных условиях нагружения и, особенно, когда нагружения сопровождаются изменениями температуры. Эти трудности привели к поиску пути, которые позволили бы, хотя бы приблизительно, но с помощью достаточно простых средств оценить опасность нагружения для прочности конструкции. Такими возможностями обладает второй подход, связанный с теорией приспособляемости упругопластиче-ских тел, представляющей по существу обобщение теории предельного равновесия на случай переменных внешних воздействий.
Теория приспособляемости позволяет при меньших затратах труда, по сравнению с анализом кинетики неупрутого деформирования, определить те конечные (стационарные) состояния, которые возможны при циклическом нагружении в каждом конкретном случае. Ими могут быть[34]:
а) прогрессирующее тепловое формоизменение (накопление односто ронней пластической деформации);
б) знакопеременное пластическое течение (обычно локального харак тера);
в) состояние приспособляемости, под которым понимается чисто уп ругое поведения, наступающее после некоторого числа первых циклов, ко гда за счет начального неупругого деформирования конструкции возникает благоприятное распределение самоуравновешенных напряжений.
Целью расчета становиться определение условий их реализации, то есть нахождение таких значений параметров нагружения, при которых цикл становиться предельным. Последнее означает, что при любом превышении указанных параметров конструкция уже не может "приспособиться" к заданному нагружению. В ней возникает пластическая деформация.
В основе теории приспособляемости лежит наиболее простая модель среды - идеальное упругопластическое тело. Для такого тела переход из упругого состояния в пластическое характеризуется достижением напряжениями предела текучести aST. Д предела текучести тела ведут себя упруго, в силу чего комбинация деформаций может быть выражена через комбинацию напряжений посредством закона Гука. В случае сложного напряженного состояния пластическое состояние характеризуется комбинацией напряжений, называемой условием пластичности или текучести, имеющим выражения [49]: f(aij)=0, i,j=l,2,3 (2.20) где Стц - компоненты тензора напряжений. Для упругопластического тела при f(crij) 0 имеет место упругое состояние, а при f(aij)=0 - пластическое.
Условие пластичности (2.20) в пространстве компонент тензора напряжений изображается в виде некоторой поверхности, называемой поверхностью текучести. Область этого пространства внутри поверхности текучести соответствует упругому состоянию материала и в этом случае скорости пластической деформации равны нулю; точки на поверхности текучести соответствуют пластическому состоянию материала - тогда скорости пластический деформации могут отличатся от нуля. Поверхность текучести для данного материала неизменна.
Напряженное состояние, при котором точка напряжений находится
внутри поверхности текучести, принято называть безопасным (а(?)), а состояние, соответствующее любому возможному положению точки, включая поверхность текучести, - допустимым (а(?))
Методика математического планирования эксперимента
Теоретический анализ и предварительные эксперименты показали, что термопластическое деформирование цилиндрических оболочек, при воздействии на них неравномерных температурных полей, отличается сложностью, многообразием и неоднозначностью физико-механических процессов, лежащих в его основе. В связи с этим, для исследования термопластического деформирования цилиндрических оболочек использовали математические методы планирования многофакторного эксперимента, что позволило дать более глубокий анализ полученного материала и создать более определенные и точные выводы.
Техника проведения экспериментов, обработка и анализ получаемых результатов проводилась в соответствии с рекомендациями, изложенных в работах [47, 51, 82, 90, 101, 104].
Математическое планирование эксперимента при исследовании теплового формоизменения применялось как при решении задачи, связанной с выяснением закономерностей формоизменения, так и задачи, связанной с определением оптимальных условий протекания процесса формоизменения.
Решение этих задач предусматривает несколько этапов: - анализ априорной информации об исследуемом процессе; - выбор факторов, влияющих на процесс, и уровней их варьирования; - выбор математической модели для описания изучаемого процесса теплового формоизменения; - выбор плана эксперимента, построение матрицы планирования, определение числа опытов и порядка их проведения; - проведение эксперимента; - обработка результатов эксперимента с использованием многомерного регрессионного анализа, построение математической модели с проверкой ее на адекватность; - интерпретация и анализ результатов эксперимента.
В общем виде математическая модель любого физического процесса может быть представлена выражением [47, 51, 101]. rj=f(xbx2,...,xK), (3.1) где хь Х2,..., хк - независимые переменные факторы.
Исследование теплового формоизменения ведется при неполном знании механизма процесса, что препятствует построению математической модели на основании лишь имеющихся физических представлений. Поэтому математическую модель теплового формоизменения представляем в виде полиномиального уравнения, которым аппроксимируется неизвестная функция (3.1) [17, 47, 51, 101]: = /?o+ZAxi+EAjxixj+i;Aixf+ АЧХ? +.., (3.2) i=l i j i=l i;j=l где Po, Pi, Pij, РІІ, Piij, - теоретические коэффициенты регрессии при соответствующих переменных. По результатам эксперимента определяем выборочные коэффициенты регрессии bo, b[, Ьц, ЬІІ, ..., которые являются оценками теоретических коэффициентов регрессии po, Pi, Pij, РІІ, .... Уравнение регрессии, полученное на основании опытов, может быть записано следующим образом: к к к к У = Ь0+ІЬіх .+ 1Ь«Х4Х:+ЕЬЙХ?+ Ebiijxfxj+ (3.3) i=l i j i=l i;j=l Формула для оценки коэффициентов регрессии в математической модели (3.3) в матричной форме имеет вид [18, 47, 51]: b = (Хт х) -(Хт Y) = М-1 YM, (3.4) где b - матрица неизвестных коэффициентов модели; X - матрица независимых переменных в точках плана, то есть матрица с элементами xui (u=l...N; і =l...k); X - транспонированная матрица, в которой относительно исходной матрицы строки и столбцы поменяны местами; М"1 - ковариационная матрица; Y - матрица наблюдений в точках плана.
Интервалы варьирования исследуемых факторов определялись и корректировались с учетом предварительных экспериментов. При этом учитывались принципиальные ограничения: факторы изменялись в таких границах, чтобы функция П=ДХІ) сохраняла свою монотонность.
Задав верхние и нижнее границы варьирования каждого фактора в ходе эксперимента, производилось кодирование факторов таким образом, что нижний уровень соответствует -1, а верхний +1.
Для компенсации влияния случайных погрешностей опыты проводились с четырехкратной повторностью. В целях уменьшения систематических ошибок опыты рандомизировались во времени с применением таблицы случайных чисел [17, 47, 51, 101].
В случае, если результат одного из параллельных опытов значительно отличался от остальных и вызывал сомнения, проводилась его статистическая проверка с помощью r-критерия Романовского [51]. Результаты анормальных опытов отбрасывались и повторялись вновь. Воспроизводимость результатов опытов (однородность дисперсий воспроизводимости) проверялась по G-критерию Кохрена, статистическая значимость коэффициентов уравнения рефессии оценивалась по t-критерию Стьюдента, адекватность полученной математической модели (соответствие уравнения рефессии экспериментальным данным, полученным в ходе реализации запланированного эксперимента) проверялась по F-критерию Фишера. Все расчеты выполнялись при доверительной вероятности Р=0,95.
Число предшествовавших циклов теплового воздействия
В соответствии с разработанной методикой, изложенной выше, были проведены расчеты по оценке термонапряженного состояния гильз цилиндров и цилиндрических оболочек при их термопластическом деформировании при различных режимах теплового воздействия (при различной максимальной температуре нагрева, скорости подачи; интенсивности охлаждения). Всего было выполнено 45 различных вариантов расчета. Один из вариантов расчета приведен в приложении
Распределение полных термоупругих и предельных напряжений вдоль оси гильзы на одной из ее поверхностей (внутренней) показано на рис. 4.9 (расчетно-экспериментальные значения напряжений соответствуют температурному полю на рис. 4.1).
Как видно из рис. 4.9, расчетные термоупругие осевые ах и окружные Оф напряжения существенно превышают предельно-допустимые rs. Под действием возникающих напряжений будет происходить пластическая деформация гильзы в сторону уменьшения внутреннего диаметра (т. к . сжимающие окружные напряжения выше растягивающих). При этом уменьшение внутреннего диаметра будет происходить на фоне знакопеременного пластического течения (см. рис. 4.9).
Экстремальные значения термоупругих напряжений и коэффициентов запаса в цикле зависят от параметров воздействия на гильзу и, в первую очередь, от максимальной температуры нагрева (рис. 4.10).
Величина и характер термопластического деформирования гильз цилиндров различных марок двигателей зависит от многих частных факторов, специфических для конкретных установок. Это и конструктивные (материал, размеры), физико-механические (предел текучести, удельное сопротивление, коэффициент линейного расширения), технологические (температура нагрева, скорость подачи, интенсивность охлаждения, параметры системы "индуктор-спрейер-деталь").
Проведенный анализ теоретических и предварительных экспериментальных исследований показывает, что для конкретной технологической установки основными факторами, с помощью которых можно легко и просто управлять процессом термопластического деформирования цилиндра, становятся скорость перемещения "тепловой волны" (скорость подачи) и температура нагрева. Изменяя указанные факторы, можно в широком диапазоне изменять величину формоизменения цилиндра в окружном направлении и, следовательно, получить ее рациональную величину.
Рациональная величина формоизменения цилиндров в значительной степени определяет производительность процесса пластического деформирования гильз.
В работе была поставлена задача получить математические модели для расчета ожидаемой величины термопластического деформирования гильз цилиндров двигателей типа ЯМЗ и КамАЗ в зависимости от принятого технологического режима теплового воздействия. Для получения указанных моделей проведено экспериментальное исследование. В исследовании переменными приняты следующие факторы: V - скорость подачи, Т - максимальная температура нагрева. В качестве выходного параметра приняли величину деформации цилиндра в окружном направлении.
На основании анализа результатов предварительных поисковых экспе риментов было сделано предположение, что зависимость изменения внутреннего диаметра гильз от исследуемых факторов можно представить уравнением регрессии показательно-степенного вида [127]: (4.4) S = KTmenv, где: К, m, п - постоянные величины. Уравнение (4.4) после логарифмирования получает вид: (4.5) пє = пк + т пт + nv. Решено было представить результаты эксперимента полиномом вида: y=bo + blXl + b2X2 + bl2XlX2 + bllXi + D22X? , (4.6) где у = іпє, а X] и х2 - кодированные значения факторов Т и V.
В качестве плана эксперимента использовали симметричный трехуровневый план З2. Принятые в исследовании уровни варьирования факторов, на основе априорной информации, указаны в табл. 4.2.
