Содержание к диссертации
Введение
I. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1. Условия работы и конструктивные параметры поршне вых пальцев двигателей внутреннего сгорания 7
1.2. Анализ износов и других дефектов поршневых пальцев 8
1.3. Анализ микроструктуры и твердости изношенных поршневых пальцев 14
1.4.3. Восстановление -поршневых пальцев методом пластического деформирования в нагретом состоянии 24
1.5. Восстановление поршневых пальцев гидротермической раздачей 24
1.6. Анализ закалочных сред и способов охлаждения 31
1.7. Выводы и задачи исследования 34
2. Теоретические предпосылки к совершенствованию технологии восстановления поршневых пальцев гидротешической раздачей 37
2.1. Обоснование режимов гидротермической раздачи при восстановлении поршневых пальцев 37
2.2. Теоретическое обоснование величины приращения наружного диаметра трубчатых образцов гидротермической раздачей 41
2.3. Анализ интенсивности охлаждения трубчатого
. образца в процессе гидротермической раздачи 45
2.4. Выводы 51
3. Программа и методика экспериментальных исследований 52
3.1. Программа экспериментальных исследований 52
3.2. Методика экспериментальных исследований 52
3.2.1. Микрометраж наружного диаметра изношенных . поршневых пальцев 52
3.2.2. Исследование процесса гидротерпической . раздачи трубчатых образцов 54
3.2.2.1.Разработка и изготовление экспериментальной установки 54
4. Анализ способов восстановления поршневых -. пальцев двигателей внутреннего сгорания 15
4.1. Восстановление поршневых пальцев нанесением . металлопокрытий 15
4.2. Восстановление поршневых пальцев пластическим деформированием в холодном состоянии ,, 18
4.3. Влияние процесса охлаждения на изменение величины приращения наружного диаметра поршневых пальцев после ГТР Юі
4.4. Уточнение режима ГТР поршневых пальцев с использованием теории планирования многофакторного эксперимента при спреиерном охлаждении НО
4.5. Изменение твердости, микротвердости, микроструктуры и глубины закалки наружного слоя при ГТР. Распределение внутренних напряжений 114
4.6. Износостойкость сопряжения "палец-втулка" 122
4.7. Испытание поршневых пальцев на прочность 124
4.8. Кратность восстановления изношенных поршневых пальцев гидротермической раздачей 125
4.9. Выводы 129
5. Внедрение результатов исслщовашщ в производство и их экономическая эффективность 131
5.1. Производственные рекомендации дия совершенст вования гидротермической раздачи поршневых пальцев 131
5.2. Экономическая эффективность усовершенствован ной технологии восстановления поршневых пальцев ГТР 135
5.3. Выводы 140
Общие выводы и рекомендации 141
Литература
- Условия работы и конструктивные параметры поршне вых пальцев двигателей внутреннего сгорания
- Обоснование режимов гидротермической раздачи при восстановлении поршневых пальцев
- Микрометраж наружного диаметра изношенных . поршневых пальцев
- Восстановление поршневых пальцев нанесением . металлопокрытий
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КШС определены задачи по улучшению качества сельскохозяйственной техники, повышению ее надежности и долговечности при одновременном снижении металлоемкости /I/.
В Продовольственной программе СССР на период до 1990 года, принятой на майском (1982 г.) Пленуме ЦК КШС, машиностроительным министерствам предложено организовать производство запасных частей к тракторам и автомобилям, сельскохозяйственным машинам и технологическому оборудованию в соответствии с потребностью в них по установленным нормам, а Госкомсельхозтехнике СССР - значительно увеличить объемы восстановления изношенных деталей /2/.
Известно, что более W ремонтных затрат приходится на 8а-пасные части /3,4/» поэтому восстанввление изношенных деталей -большой резерв снижения расходов на ремонт техники, а также экономии металла и производственных мощностей заводов - изготовителей.
Восстановление изношенных деталей позволяет полнее удовлетворять запросы сельского хозяйства в запасных частях.
Придавая большое значение восстановлению изношенных деталей, ЦК КШС и Советом Министров СССР в постановлении Ш 114 от 2 февраля 1979 г. "0 развитии промышленных методов восстановления изношенных деталей" перед ремонтным производством поставлена задача значительно увеличить объемы этих работ по номенклатуре восстанавливаемых деталей при одновременном совершенствовании известных и разработке новых технологических процессов. В 1985 г. объем восстановления должен превысить 0,5 млрд.рублей.
Среди других технологических процессов восстановления изношенных деталей в условиях сельскохозяйственных ремонтных предприятий заслуживает внимания способ пластических деформаций /5/. Применительно к поршневым пальцам наиболее перспективной следует считать гидротермическую раздачу (ГТР). Последняя разработана производственниками-изобретателями, без каких-либо исследований наблюдаемых при этом деформаций, внутренних напряжений, микроструктурных изменений, что приводит к известным дефектам (корсет-нос ть, несоответствие получаемой микроструктуры и др.)» Д нашей работы была неизвестна также возможность многократного восстановления поршневых пальцев ГТР.
Изучение процесса ГТР с целью дальнейшего повышения качества и увеличения долговечности восстанавливаемых поршневых пальцев является целью настоящей работы.
Работа выполнена на кафедре ремонта и надежности машин Московского ордена Трудового Красного Знамени института инженеров сельскохозяйственного производства имени В.П.Горячкина в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ Госкомсельхозтехники СССР и ГОСНИТИ по решению научно-технической проблемы 0.51.II "Разработать и внедрить комплексную систему ремонта и технического обслуживания сельскохозяйственной техники, обеспечивающую доведение ресурса капитально отремонтированных тракторов новых марок не менее, чем 80# от новых", утвержденным Постановлением ГКНТ СССР Ш 450 от 26 ноября 1976 г.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений.
Условия работы и конструктивные параметры поршне вых пальцев двигателей внутреннего сгорания
Поршневой палец является одной из наиболее ответственных и нагруженных деталей ДВС. Он подвергается воздействию сил, переменных как по величине, так и по знаку. В многооборотных двигателях нагрузка по характеру близка к ударной. Кроме того, палец испытывает тепловую нагрузку вследствие передачи тепла от головки поршня и тепла, выделяющегося при трении пальца о втулку верхней головки шатуна и бобышки поршня /6/.
В отечественной практике пальцы устанавливают в поршень с натягом. После нагрева поршня до рабочих температур палец в бобышках вращается свободно /V/. Вследствие изменения величины и направления давления поршневой палец прилегает попеременно то к одним, то к другим сторонам отверстий в бобышках поршня и втулки верхней головки шатуна. В таких условиях масляный слой не обладает достаточной толщиной и сопряжения детали работают преимущественно в граничной фазе трения при высоких удельных давлениях и нагрузках при наличии абразива, что приводит к повышенному износу пальца /В,9/.
С увеличением износа зазор между деталями возрастает. При знакопеременном нагружении увеличение зазора приводит к появлению и постепенному росту ударных нагрузок, что вызывает выдавливание смазки и прогрессивное увеличение износа.
Зазор, при котором в сопряжении появляется металлический стук, следует считать предельно допустимым. Для разных марок двигателей он колеблется в пределах 0,007...0,010 мм /Ю/.
Для восприятия высоких циклических нагрузок качество поверхности пальца должно соответствовать шероховатости па = 0,16 мкм,
Условия работы определяют следующие требования к конструкции поршневого пальца: он должен иметь малую массу, минимальную деформацию во время работы, достаточную прочность и износостойкость с учетом переменной и ударной нагрузок /в/.
Нами проведен анализ конструктивны , соотношений элементов поршневых пальцев большинства современных двигателей внутреннего сгорания (табл.1) с введением дополнительной характеристики -относительной толщины стенки где J% - внутренний диаметр поршневого пальца; &» - наружный диаметр поршневого пальца.
Относительная толщина стенки f поршневых пальцев ДВС изменяется в среднем от 0,3 до 0,5.
Поршневой палец чаще всего изготавливают из малоуглеродистых хромо-никелевых и хромистых сталей (ГОСТ 4543-71) с закаленным цементованным слоем наружной цилиндрической поверхности. Для менее нагруженных карбюраторных автомобильные двигателей поршневые пальцы изготавливают из среднеуглеродистой стали с последующей поверхностной закалкой - в основном сталь 45 (ГОСТ 1050-74).
Под действием знакопеременных сил поршневой палец прогибается, а втулка верхней головки шатуна и бобышки поршня деформируются.
Замеры наружного диаметра поршневых пальцев проводились по разработанной нами методике (3.2.1) в сечениях трех поясков со статистической обработкой данных на ЭВМ для каждого пояска отдельно по известной методике /15... 18/. Износ наружного диаметра поршневых пальцев определяли по формуле где $ном нсминальный размер наружного диаметра поршневого пальца с нижним предельным отклонением, мм; 51 - измеренный размер наружного диаметра поршневого пальца, мм.
Вероятность совпадения теоретического закона распределения с опытной проверяли по критерию согласия Пирсона Л
Математическая обработка полученной статистической информации показала, что износы боковых поясков поршневых пальцев описываются законом нормального распределения (ЗНР), а среднего -законом распределения Вейбулла (ЗРВ) со следующими параметрами (табл.1.2).
Дифференциальные и интегральные кривые распределения износа наружного диаметра поршневых пальцев представлены на рис.1.2. Анализ дефектов и износов поршневых пальцев двигателей показал, что 20# подлежат выбраковке? 8# являются годными без ремонта и 72$ требуют восстановления.
Обоснование режимов гидротермической раздачи при восстановлении поршневых пальцев
Технологические режимы гидротермической раздачи при восстановлении поршневых пальцев являются одновременно режимами их термической обработки и оказывают существенное влияние на качество восстановления. Следовательно, от нагрева и охлаждения зависят как величина раздачи, так и качество термообработки.
Оптимальная температура нагрева и скорость охлаждения поршневых пальцев выбираются исходя из трех условий: 1. Оптимальный припуск наружного диаметра поршневого пальца на механическую обработку после раздачи. 2. Твердость наружной цилиндрической поверхности пальцев -HRC 56...63 при разности значений твердости в одном пальце не более HRC 5. 3. Микроструктура закаленного цементованного слоя согласно ГОСТ 619-79 должна представлять мелкоигольчатый мартенсит (допускаются равномерное распределенные включения цементита, остаточного аустенита и троостита).
Приращение наружного диаметра поршневых пальцев при ГТР можно рассматривать в качестве припуска на механическую обработку только при непременном выполнении второго и третьего условий.
Поршневые пальцы двигателей СМД наготавливают из стали I2XH3A (ГОСТ 4543-71) с цементованным наружным слоем и подверга-ют закалке для повышения прочности, твердости и износостойкости.
Второе и третье условия для поршневого пальца выполняется, когда его нагревают до закалочной температуры и охлаждают со скоростью закалки выше критической /50,67...72/.
Повышение температуры нагрева под закалку (или увеличение длительности нагрева; приводит к растворению карбидов и укрупнению зерна аустенита, что снижает твердость и прочность стали.
Введение в сталь хрома и других карбидообразующих элементов задерживает аустенизацию из-за образования легированного цементита или трудно растворимых в аустените карбидов легирующих элементов. Повышение температуры во многих случаях не ведет к заметному росту аустенита, так как этот процесс тормозится нераство-ренными частицами карбидов.
Полное представление о температурах превращения исходной структуры в аустенит при различны скоростях нагрева дает термокинетическая диаграмма /50/. Чем выше скорость нагрева, тем при более высокой температуре происходит аустенизация. Интервал температур тем больше, чем выше скорость нагрева.
Размер действительного зерна аустенита обусловлен температурой нагрева, продолжительностью выдержки при ней и склонностью данной стали к росту зерна.
После закалки с индукционного нагрева действительное зерно аустенита значительно мельче (балл 10...12), чем при обычной закалке с печного нагрева (балл 7...8).
На рис.2.1 показан рост зерна аустенита в закаленном цементованном слое наружной цилиндрической поверхности поршневых пальцев от температуры нагрева /55/.
Второе условие выполняется при нагреве поршневых пальцев выше температуры ПОЗ К. Значение критической скорости закалки неодинаково для разных сталей и зависит от устойчивости аустенита, определяемой составом стали. Чем больше его устойчивость, тем меньше критическая скорость закалки.
Чем крупнее зерно аустенита и чем он однороднее (т.е. чем выше температура нагрева), тем больше устойчивость переохлажденного аустенита и меньше его критическая скорость закалки.
Легирующие элементы, повышая устойчивость аустенита, резко снижают критическую скорость закалки. Так, при введении 1$ Сг в сталь с \$ С критическая скорость закалки уменьшается в два раза. Сильно снижает критическую скорость закалки никель. Для многих легированных сталей критическая скорость закалки снижается до 20...30 К/с.
Что касается процесса охлаждения при термообработке поршневых пальцев, то у стали I2XH3A (ГОСТ 4543-71) С-образные кривые диаграммы изотермического превращения аустенита смещены далеко вправо и скорость охлаждения наружного цементованного слоя не оказывает существенного влияния на термообработку. Эта сталь принимает закалку даже при охлаждении на воздухе, если правильно выбран температурный режим нагрева.
В высокоуглеродистых сталях, к которым относится цементованный слой, мартенситное превращение не протекает до конца и в закаленном слое присутствует остаточный аустенит. Его количество тем больше, чем выше содержание в аустените углерода и легирующих элементов. При больших количествах остаточного аустенита (20...30 ) его можно наблюдать в микроструктуре закаленной стали в виде светлых полей между иглами мартенсита.
Аустенит понижает твердость, износостойкость и нередко приводит к изменению размеров деталей в результате самопроизвольного превращения аустенита в мартенсит.
Микрометраж наружного диаметра изношенных . поршневых пальцев
Далее в системе стоит контрольный манометр 4 (марка 0БМІ-І60, класс точности 1,5 ГОСТ 2405-72), регистрирующий давление жидкости, расходомер 5 (марка УВК-25 с ценой деления 0,001 м3), который подсоединен к входному патрубку устройства для охлаждения поршневых пальцев. На поршневом пальце 7 закреплен манометр 8 (марка 0ШІ-І60, класса точности 1,5 ГОСТ 2405-72) для измерения давления охлаждающей жидкости в полости поршневого пальца в момент открытия гидроклапана. Прижим поршневого пальца 7 осуществляется посредством распределителя II и пневмоцилиндра 10. Из выходного патрубка устройства для охлаждения поршневых пальцев жидкость поступает в охладитель 9 и затем в резервуар I.
Пневмоцилиндр I и гидравлический клапан 2, соединенные тягами 3 через переднюю крышку 4 пневмоцилиндра и стойку 5 гидроклапана, установлены и закреплены на основании 6.
Для того, чтобы охлаждаемый трубчатый образец был предварительно зажат втулками 7 в момент подачи и отключения охлаждающей жидкости, а также с целью использования хода штока 8 для открытия и закрытия гидроклапана закреплеиными на фланце 9 тягами 10 через коромысло II, шток 8 выполнен пустотелым и содержит пружину 12, предварительно сжатую пинолью 13, ход которой ограничен фиксаторами 14.
Для уменьшения площади контакта нагретого образца с держателем 15, с целью предотвращения местного отбора тепла, вилка держателя выполнена в виде двух ножей. Подвод охлаждающей жидкости осуществляется по трубопроводу 16, слив - через пиноль штока по трубопроводу 17.
Устройство работает следующим образом. Нагретый в одновитко-вом индукторе ТВЧ поршневой палец подается на держатель 15. При -подаче воздуха в левую полость пневмоцилиндра I шток 8 с пинолью 13 и держателем 15 перемещается в сторону гидроклапана 2 и изделие зажимается по торцам втулками 7.
В начальный момент усилие зажатия равно 380 кг, т.е. равно усилию предварительного сжатия пружины 12. Этим достигается герметичное зажатие изделия перед подачей охлаждающей жидкости.
При последующем ходе штока 8 пружина 12 сжимается, шток 8 перемещается относительно пиноли 13 и, тягами 10 через коромысло II, открывает гидроклапан 2. В момент упора фиксаторов 14 в пи-ноль 13 клапан полностью открыт, а поршневой палец зажат усилием штока пневмоцилиндра. При этом охлаждающая жидкость по трубопроводу 16, через гидроклапан 2 подается во внутреннюю полость пальца и сливается через пиноль 13 по трубопроводу 17.
После охлаждения трубчатого образца воздух поступает в правую полость пневмоцилиндра и шток 8 отходит влево, сначала перемещаясь относительно пиноли 13 до упора фиксатора 14 в пиноль (при этсм происходит закрытие гидроклапана 2 при зажатом образце), а затем вместе с пинолью 13 и держателем 15, освобождая палец от зажатия, в конце хода штока тяги через коромысло II дополнительно прижимают клапан усилием штока пневмоцилиндра.
Для получения достоверных результатов скоростей охлаждения разных слоев металла в трубчатых образцах при ГІР необходимо правильно подвести термопару к исследуемому образцу.
Исследования проводились на натуральных поршневых пальцах двигателя СМД-І4. При этом новые поршневые пальцы нагревают до температуры 973...1073 К и дают им медленно остыть вместе с печью (отжиг до твердости наружного закаленного слоя HRC - 59 -18...20). Затем в торце поршневого пальца сверлят три отверстия диаметром 4,0 мм на глубину, равную половине длины пальца. Одно отверстие посредине толщины стенки, другие - на расстоянии 3 мм соответственно от наружной и внутренней цилиндрической поверхностей. Схема отверстий в трубчатом образце представлена на рис.3.5.
Другой поршневой палец после отжига сверлят с наружной цилиндрической поверхности на глубину П - 1,5 мм, где П - толщина стенки поршневого пальца.
Отверстия располагают на расстоянии 10...13 мм от торцов и в средней части, как показано на рис.3.6.
Для выведения обобщающих зависимостей и экспериментального подтверждения высказанных ранее теоретических предпосылок по ГТР трубчатых изделий нами подготовлены образцы длиной 100 мм, наружных диаметров 42 f 0,005 мм, 45 + 0,005 мм, 50 t 0,005 мм с шероховатостью наружной поверхности а = 0,80...0,40 мкм (ГОСТ 2789-73) из стали I2XH3A ГОСТ 4543-71 с последующей цементацией наружного слоя и стали 45 ГОСТ 1050-74 с различной толщиной стенки - изменением коэффициента JQ от 0,1 до 0,9 с интервалом 0,1.
Восстановление поршневых пальцев нанесением . металлопокрытий
Для экспериментального подтверждения высказанных теоретических предпосылок по ГТР поршневых пальцев подготовленные по выше описанной методике образцы были подвергнуты гидротермической раздаче. Полученные результаты сведены в табл. (приложение 3). По этим данным построена зависимость относительной деформации а (формула 2.8) наружного диаметра от относительной толщины 0 (формула І.І) стенки трубчатого образца из исследуемых марок стали, которая показана на рис.4.1.
Из представленных зависимостей следует, что деформация тем больше, чем меньше , т.е. чем тоньше трубчатый образец.
Для поршневых пальцев, где J5 изменяется от 0,3 до 0,5 максимальная относительная деформация дта)( наружного диаметра трубчатого образца колеблется от 0,5 до 0,7$.
Экспериментальный график представляет собой прямую 2, иден тичную теоретической I, но имеющую другой угол наклона к оси абсцисс. Расхождения значений теоретической I и эксперименталь ной 2 прямых характеризуют действительное приращение о в долях единицы от максимально возможного увеличения Отах на ружного диаметра трубчатого образца: J =- -г— . Стах
При раздаче стальных трубчатых образцов с использованием прямоточного потока при охлаждении установлено среднее значение коэффициента относительной интенсивности охлаждений Js = 0,6. -Это значение можно использовать для расчета приращения диаметров трубчатых образцов при ГТР лить при использовании прямоточных потоков.
Гидротермическая раздача возможна как для изделий из цементуемых марок стали - I2XH3A ГОСТ 4543-71, так и из среднеуглеро-дистых марок - сталь 45 ГОСТ 1050-74.
Проведенные эксперименты привели к разработке нового способа восстановления поршневых пальцев для среднеуглеродистых марок стали (.положительное решение Госкомизабретений СССР по заявке і 3 8348/22-02 (Ю2840) с приоритетом от 8 сентября 1983 г. Способ восстановления поршневых пальцев /Тельнов Н.ф. и др./. (Приложение 2).
Б заводских условиях проведены исследования изменения величины приращения наружного диаметра @н поршневых пальцев для трех основных типоразмеров по наружному диаметру Q/ = 38 мм (двигатели класса Д-240), Я1Н = 42 мм (двигатели класса СМД-І4) и об» = 45 мм (двигатели класса СМД-62).
Замеры проводили по описанной выше методике. В табл.4.1 приведены параметры теоретических законов распределения приращения наружного диаметра. На рис.4.2 показаны графики теоретических законов распределения приращения диаметра поршневых пальцев после ГТР по технологии Кировоградского РМЗ.
На кривых I и 2 показана неравномерность раздачи поршневых пальцев по длине и склонность их принимать корсетообразную форму после ГТР.
После раздачи поршневые пальцы проходят механическую обработку на кругло-шлифовальных станках. Минимальный припуск на шлифование должен составлять 0,08...0,1 мм. Этот припуск дает возможность добиться правильной геометрической формы и желаемой чистоты поверхности.
Около 30 поршневых пальцев после шлифования имеют чернови-ны на наружной цилиндрической поверхности, в основном в средней части пальца и возвращаются на повторную ГТР.
Изменение температуры поршневых пальцев по толщине стенки при нагреве и последующем охлаждении потоком воды изнутри показано на рис.4.3. Нагрев до температуры 1073..,1173 К осуществляется около 30 с. При охлаждении наружная поверхность остывает со значительно меньшей скоростью (кривая 2), чем внутренняя поверхность (кривая I), которая выполняет роль жесткого каркаса и предотвращает уменьшение наружного диаметра пальца при охлаждении.
Дальнейшие исследования изменения температуры внутренней поверхности по длине поршневого пальца (рис.4.4) показали, что поверхность, прилежащая к торцам, охлаждается до температуры кипения воды в 2,5 раза быстрее, чем средняя часть, что приводит к корсетообразной форме поршневого пальца при ГТР.
В связи с изложенным, для получения равномерного по длине и необходимого по величине припуска на механическую обработку требуется усовершенствовать механизм охлаждения.
