Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Анализ причин возникновения трещин в верхних опорных буртах втулок цилиндров судовых дизелей 11
1.2. Конструктивно-технологические возможности восстановления зазоров в сопряжении "блок-втулка цилиндра" 19
1.3. Анализ возможности наплавки посадочных поверхностей втулок щлиндров судовых дизелей 23
1.4. Задачи исследования 29
Глава 2. Теоретические предпосылки восстановления изношенных посадочных поверхностей втулок цилиндров плазменной наплавкой 31
2.1. Анализ влшшя ВЕЛИЧИНЫ зазора в сопряжении "блок-втулка цилиндра" на долговечность втулки. 31
2.2. Обоснование выбора способа наплавки посадочных поверхностей втулок щлиндров 40
2.3. Обоснование выбора наплавочных материалов для восстановления посадочных поверхностей втулок цилиндров 50
Выводы 59
Глава 3. Методика проведения исследований 61
3.1. Методика планирования экспериментов 61
3.2. Методика обработки результатов экспериментальных исследовании 64
3.3. Методика определения геометрических размеров наплавленного валика 67
3.4. Методика металлографических исследований зоны с плавления 68
Методика исследования механических свойств наплавленного металла и соединения при наплавке бронз на чугун 69
Методика определения прочности сцепления наплав ленного металла с основным 70
Методика определения твердости наплавленного металла 71
Методика определения микро твердости зоны с плавления 73
Исследование процесса и разработка технологии плазменной наплавки посадочных поверхностей втулок цилиндров судовых дизелей 74
Установка для плазменной наплавки втулок цилиндров 74
Сравнительные исследования наплавки бронз на переменном и постоянном токе 81
Влияние параметров режима наплавки на геометрические размеры валика 98
Влияние параметров режима наплавки на глубину проплавлення и структурные изменения чугуна в зоне термического влияния и микротвердость 104
Вшшние параметров режима наплавки на прочность сцепления наплавленного металла с основным и свойства наплавленного металла 121
Технология плазменной наплавки посадочных поверхностей втулок цилиндров 135
Разработка режимов наплавки 135
Техника наплавки посадочных поверхностей втулок цилиндров судовых дизелей 143
Глава 5. Расчет экономической эффективности от внедрения плазменной наплавки посадочных поверхностей втулок цилиндров судовых дизелей 149
Выводы 155
Список литературы 158
Приложение
- Анализ причин возникновения трещин в верхних опорных буртах втулок цилиндров судовых дизелей
- Анализ влшшя ВЕЛИЧИНЫ зазора в сопряжении "блок-втулка цилиндра" на долговечность втулки.
- Методика планирования экспериментов
Введение к работе
Основными направлениями развития народного хозяйства СССР, принятыми ХХУІ съездом КПСС, намечено широкое внедрение в производство прогрессивных технологических процессов и научных достижений направленных на экономию трудовых и материальных ресурсов.
В настоящее время 83,5$ тоннажа морского флота СССР составляют суда с дизельными энергетическими установками. С 1965 года почти 90% ежегодно строящихся судов дедвейтом свыше 2 тыс. тонн имеют дизеля [89].
Двигатели фирмы "Бурмейстер и Вайн" и ее лицензиатов широко распространены на серийных судах советского морского флота. Только на Дальневосточном бассейне более 200 судов с дизелями типа "Бур -мейстер и Вайн", что составляет более 60$ от общего количества судов [69].
Современное развитие дизелестроения характеризуется повышением цилиндровой мощности за счет форсирования двигателя, что приводит к возрастанию механических и тепловых нагрузок во втулке цилиндра. Увеличение напряжений при неизменной конструкции втулки привело к снижению срока ее службы в результате появления трещин в галтели опорного бурта [59, 72, 73, 74, 78, 96, ТОО].
Одной из основных причин отказов втулок цилиндров (трещины в галтели опорного бурта) являются колебания их в процессе работы дизеля. Образованию трещин способствует увеличение напряжений и достижение предельных значений в результате возрастания амплитуды колебаний втулки в процессе износа поверхностей сопряжения блока и втулки цилиндра.
Для повышения долговечности втулок цилиндров зазоры в сопряжении "блок-втулка цилиндра" через 10-15 тыс. часов работы дизеля должны быть уменьшены до 0,1-0,2 мм, а иначе в результате износа посадочных поверхностей зазоры у дизелей типа "Бурмейстер и Вайн" достигают через 20 тыс. часов 0,5-0,7 мм, а иногда 0,8-1,0 мм, и вследствие больших циклических напряжений, вызываемых колебаниями втулок, возникают усталостные трещины в галтелях опорных буртов втулок.
Высокая стоимость втулок цилиндров дизелей "Бурмейстер и Вайн" и большая ежегодная потребность в них (в Дальневосточном ордена Ленина и ордена Октябрьской революции морском пароходстве выбраковываются свыше 30 штук из-за трещин в галтели опорного бурта) обусловили необходимость разработки технологии восстановления изношенных посадочных поверхностей втулок для получения требуемой посадки в сопряжении "блок-втулка цилиндра" и уменьшения циклических напряжений в опасном сечении опорного бурта втулки и повышения ее срока службы.
Для втулок цилиндров дизелей "Бурмейстер и Вайн" фирма рекомендует серый чугун с повышенным содержанием фосфора (до 0,7$), легированный титаном, вольфрамом и медью.
Известно, что чугун обладает плохой технологической свариваемостью, обусловленной тем, что металл наплавки и околошовной зоны имеет большую склонность к образованию закалочных непластичных структур и трещин. Низкая прочность чугуна и практически полное отсутствие пластичности способствуют трещинообразованию при наплавке, как в наплавленном, так и в основном металле.
Отсюда вытекает необходимость изыскания способа наплавки такой ответственной чугунной детали, как втулка цилиндра, и выбора присадочного материала для ее наплавки, обеспечивающих получение высококачественного сварного соединения с требуемыми свойствами наплавленного металла, а также нахождения и исследования оптимальной области режимов наплавки.
В настоящее время существует довольно много различных способов наплавки чугунных деталей. Однако большинство из них осуществляется вручную или имеет ряд недостатков, делающих их неприемлемыми для наплавки втулок цилиндров [її, 37, 60, 109, НО, 116 и др.] .
Из всего многообразия существующих способов наплавки чугуна наиболее перспективным методом является наплавка с использованием в качестве источника тепла низкотемпературной плазмы, которая позволяет получать сварные соединения с высокими физико-механическими свойствами и возможность последующей их обработки с требуемой точностью [зі, 75, 86].
Плазменный процесс один из наиболее широко регулируемых технологических процессов наплавки и обладает рядом преимуществ [27, 31, 51, 65, 97, I20]: высокая локальность нагрева и вследствие этого незначительная зона термического влияния и деформация деталей; возможность изменения в широких пределах газодинамических параметров дуги, что позволяет регулировать глубину проплавлення и форму наплавляемого валика с целью уменьшения отходов металла при последующей механической обработке; раздельное регулирование нагрева основного металла и плавления присадочной проволоки обеспечивает возможность получения минимального тепловложения в изделие и проплавлення чугуна при наплавке.
Целью работы является разработка технологии восстановления посадочных поверхностей втулок цилиндров для получения номинального зазора между блоком и втулкой и уменьшения вероятности возникновения трещин в районе верхнего опорного бурта втулки.
Научная новизна работы заключается:
- в разработке методики расчета предельно допустимого зазора в сопряжении "блок-втулка цилиндра";
- в разработке схемы питания плазменной двойной дуги переменно о го тока, обеспечивающей стабильное горение дуги от двух сварочных
трансформаторов; - в результатах исследования влияния параметров режима наплавки на основные технологические свойства сварного соединения;
- в нахождении оптимальной области параметров режима наплавки, обеспечивающей необходимое качество сварного соединения и наплавленного металла;
- в разработке технологии восстановления посадочных поверхностей втулок цилиндров дизелей типа "Бурмейстер и Вайн".
Основные результаты работы заключаются в следующем:
- теоретически обосновано, что одной из основных причин отказов втулок цилиндров (трещины в районах опорных буртов) является износ поверхностей сопряжения "блок-втулка цилиндра", в результате которого увеличиваются циклические напряжения до величины, превышающей предел выносливости втулок;
- получены сравнительные данные по плазменной наплавке чугуна на постоянном и переменном токе и доказана целесообразность применения переменного тока для обеспечения качественного соединения металла наплавки с основным;
- получены математические модели, описывающие влияние основных параметров режима наплавки на прочность сцепления наплавленного металла с основным, механические свойства металла наплавки, на площадь проплавлення, структурные изменения чугуна и микротвердость в зоне термического влияния, на геометрические размеры наплавляемого вали-ка,
- разработана плазменная горелка для наплавки на переменном токе, обеспечивающая стабильную работу на токах до 300 А и создана установка для плазменной наплавки посадочных поверхностей втулок цилиндров судовых дизелей на базе токарного станка и серийного сварочного оборудования.
Научное значение работы заключается в разработке методики расчета предельно допустимого зазора в сопряжении "блок-втулка цилиндра". Кроме того, при разработке технологии восстановления втулки цилиндра сделана попытка комплексного учета зависимости основных показателей качества сварного соединения от параметров режима наплавки. Определена область параметров режима при плазменной наплавке, обеспечивающая оптимальное сочетание физико-механических свойств сварного соединения и наплавленного металла.
Практическая ценность работы. Результаты работы дают возможность правильно выбирать параметры режима при плазменной наплавке ответственных чугунных деталей дизелей, при которых обеспечивается наиболее оптимальное сочетание комплекса технологических показателей. На основе исследований разработана и внедрена технология восстановления посадочных поверхностей втулок цилиндров дизелей пБур-мейстер и Вайн" на Владивостокском судоремонтном заводе, позволяющая повысить срок службы втулок более, чем в 1,5 раза.
Основные материалы работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях Дальневосточного высшего инженерного морского училища имени адмирала Г.И.Невельского в I975-I98I годах; на научно-практической конференции по сварке в судоремонте в г.Клайпеде в 1979 году; на совещании по обмену опытом восстановления судовых деталей в г. Одессе в 1980 году; на семинаре по восстановлению изношенных деталей ДВС на СРЗ МШ в г.Одессе в 1981 году.
Основные результаты диссертации опубликованы в восьми статьях общим объемом 2,8 печатных листа[7,74,75 и др.] , подготовлено два научно-технических отчета, зарегистрированных в ВИНИТИ.
Работа состоит из введения, пяти глав основного содержания, выводов, библиографии (137 наименований)и приложений. Изложена на / ?7 страницах машинописного текста, включает 52 рисунка, 25 таблиц и 19 страниц приложений.
Анализ причин возникновения трещин в верхних опорных буртах втулок цилиндров судовых дизелей
Надежность судовых дизелей в значительной мере зависит от продолжительности эксплуатационного периода втулок цилиндров. Проведение каких-либо мероприятий по продлению срока службы втулок, совершенствование сопряжения "блок-втулка цилиндра" должны начинаться с изучения механизма возникновения дефектов и причин, их вызывающих.
Анализ отказов втулок цилиндров на различных типах судовых дизелей показал, что они возникают в большинстве случаев из-за образования трещин в районе верхнего опорного бурта. Наибольшая вероятность появления трещин [ 6 ] для втулок двигателей "Бурмейстер и Вайн" приходится на интервал наработка 16,5-20,8 тыс. часов. Глубина трещин 5-15 мм. Статистические данные по отказам втулок цилиндров из-за образования трещин в галтели опорного бурта приведены в табл. I.I.
Изучению причин, вызывающих появление трещин в районе опорного бурта, посвящен ряд работ [59, 69, 78, 90, 95, 96, 122, I23J, но вопрос еще недостаточно исследован и теоретически обоснован, т.к. данная проблема имеет много сторон, каждая из которых может стать предметом самостоятельного исследования.
Специалисты фирмы "Бурмейстер и Вайн" появление трещин в буртах втулок цилиндров своих дизелей объяснили конструктивным недостатком опорного бурта [69, 72, 78, 122, 123] и в течение ряда лет вносили некоторые изменения в двигателях типа ДКРН всех типоразмеров.
Для предотвращения появления трещин в галтелях фирмой рекомендовалось уменьшить смещение контактных поверхностей бурта втулки с блоком и крышкой путем уменьшения ширины этих поверхностей (рис. I.I., вариант I): верхней - с внутренней стороны втулки (выбирается площадка А), а нижней - с внешней стороны (выбирается площадка В). Предусматривая уменьшение плеча между парой сил, приложенной к верхней и нижней опорным поверхностям бурта усилием от затяжки шпилек крышек цилиндров, фирма рассчитывала уменьшить напряжения изгиба и среза, вызывающие, по ее предположению, образование трещин под буртами [69, 72, 80, 123]. Указанные изменения положительных результатов не дали, т.к. трещины появлялись и на реконструированных втулках, иногда уже через 4,5-5,0 тыс.ч работы двигателя [69].
После изучения причин образования трещин в районе опорного бурта втулок, фирма в целях повышения надежности их предложила убрать пояс жесткости под опорным буртом (рис. I.I., вариант 2). Данное изменение рекомендовалось как для изготавливаемых, так и для эксплуатируемых двигателей. Таким изменением, предусматривающим значительное увеличение радиуса закругления под опорным буртом, фирма рассчитывала продлить срок службы втулок до образования трещин в этом районе. Но данные рекомендации положительных результатов не дали, а привели к уменьшению срока службы втулок [69, 122].
Исследования, проведенные фирмой, позволили обнаружить, что напряжения во втулках цилиндров в процессе эксплуатации двигателя увеличиваются. Этому способствует отложение нагара между втулкой и цилиндровой крышкой, которое уменьшает тепловой зазор, имеющийся между этими двумя деталями. При номинальной нагрузке двигателя крышка цилиндра расширяется больше, чем оставшийся зазор, что приводит к увеличению статических напряжений в верхней части втулки. Исследования привели к новому варианту конструкции верхней части втулки (рис. І.І., вариант 3), которая характеризуется более плавным переходом от конической к цилиндрической наружной поверхности ее, что образует большее, по сравнению с первоначальной конструкцией, утолщение втулки в данном районе. Кроме того, зазор между поясом жесткости под буртом и блоком цилиндров устанавливается такой величины, чтобы он выбирался при работе двигателя на номинальной мощности. Благодаря контакту втулки с блоком статические и динамические напряжения в районе опорного бурта втулки снижаются 122]. Фирма рекомендовала увеличить прочность материала втулок. Предложенные мероприятия, вероятно, в какой-то степени повысят долговечность втулок, однако они не устраняют причин образования трещин [69 J. Данных о работоспособности новой конструкции втулок еще нет.
Японская фирма "Хитачи" для предотвращения трещин в буртах втулок новых дизелей внесла изменения в двигателях типа ДКРН 62Д40 - сместила посадочный пояс крышки цилиндра к периферии
Рис.- I.I. Изменения конструкции втулки по рекомендациям фирмы "Бурмейстер и Вайн": а - вариант I; б - вариант 2; в - вариант 3; I - блок цилиндров; 2 - опорный бурт втулки цилиндра. (рис. 1.2.). Этим было исключено наличие изгибающего момента у бурта втулки от усилий затяжки гаек крепления крышек цилиндров. Такое изменение конструкции сопряжения "цилиндровая крышка - втулка" позволило увеличить время безотказной эксплуатации втулок до 19000 ч[90].
Анализ влшшя ВЕЛИЧИНЫ зазора в сопряжении "блок-втулка цилиндра" на долговечность втулки
Одной из главных причин низкой надежности втулок цилиндров авторы [59, 69, 72, 96І считают колебания их в процессе работы дизеля. Для оценки влияния колебаний втулки на ее прочность и срок службы необходимо знать величину напряжения, вызываемого колебаниями в районе верхнего опорного бурта.
Колебания втулок как периодический процесс деформации обусловлены двумя обстоятельствами. Во-первых, втулка цилиндра, как всякая упругая система, выведенная из положения равновесия силой, совершает затухающие колебания (собственные колебания) под действием внутренних (упругих) сил. Во-вторых, в процессе работы дизеля на втулку цишшдра действуют периодические внешние возмущающие силы (давление газов, нормальная сила от поршня -боковое давление, импульс удара поршня о стенку втулки во время "перекладки"), которые и являются причиной незатухающих колебаний.
В результате колебаний втулок создаются следующие нежелательные явления: усталостные разрушения стенок, износ сопряженных поверхностей втулок, рубашек и блока цилиндров, кавитационные повреждения втулок и блока, шум высокой интенсивности, единственным положительным фактором, обусловленным высокочастотной вибрацией стенки втулки цилиндра, является увеличение коэффициента теплоотдачи от стенки к воде [ 59].
Колебаниям подвержены и втулки судовых крейцкопфных дизелей, причем перемещения и удары втулок цилиндров о стенку блока достигают своего максимума в период продувки и перехода поршня через нижнюю мертвую точку. Колебания вызываются ударами поршня о стенку втулки. Амплитуда колебаний зависит от величины зазора между втулкой я блоком в нижнем посадочном поясе [ 95, 96].
Срок службы втулок цилиндров можно оценить, определив усталостную прочность конструкции по запасу прочности [б8, I03J. Данный метод позволяет учесть влияние следующих факторов: концентрации напряжений, качества обработки поверхности и воздействие коррозионной среды, масштабного фактора и асимметрии цикла. Коэффициент запаса прочности при переменных нагрузках описывается формулой [ 68 J г
где (31/ - предел выносливости материала; Qa - циклические напряжения изгиба; Кгъ вУммэР1131 коэффициент влияния следующих факторов: концентрации напряжений, качества обработки поверхности и влияния коррозионной среды; - коэффициент влияния асимметрии цикла, учитывающий влияние реальных нагрузок, вызывающих асимметричные цикличности напряженного состояния; для чугуна ? = 0,25 [59]; Gm - сумма статического напряжения; H.Q - коэффициент запаса прочности, для втулок цилиндров /7 2 [59]. При определении циклических напряжений изгиба, вызываемых колебаниями в опасном сечении опорного бурта "е-е" (рис. 2.1.) втулка рассматривается как жестко защемленная консольная балка, т.е. фланец считается абсолютно жестким [ 59J. Значения этих напряжений могут быть определены по формуле [ 32J:
где J - момент инерции втулки;
У - амплитуда колебаний втулки в нижнем посадочном поясе; Ск - расстояние от опорного бурта втулки до середины нижнего посадочного пояса; W= — момент сопротивления опасного сечения;
Методика планирования экспериментов
Для различных способов плазменной наплавки на постоянном токе существует достаточно обоснованных рекомендаций по выбору режима при наплавке на стали различных классов. Обычно параметры режима подбирают опытным путем [29, 31, 33, 45, 97, 114 и др.].
Качественные оценки влияния каждого из параметров режима наплавки на геометрические размеры валика при различных схемах питания плазменной дуги получены давно. В частных случаях различными исследователями определены и количественные зависимости отдельных размеров шва при наплавке на стали различных классов от основных параметров режима (сварочный ток, скорость наплавки, диаметр сопла, расход плазмообразующего газа и др.). Каждая из них, являясь функцией одной переменной, получена при определенных условиях процесса и фиксации всех остальных параметров на постоянных уровнях [20, 29, 31, 104, 120 и др.] .
Исследований по влиянию параметров режима при плазменной наплавке чугуна на физико-механические свойства соединения в литературе нами не обнаружено.
Отсутствие зависимостей для расчета геометрических размеров валика и механических свойств сварного соединения при наплавке на чугун от параметров сжатой дуги затрудняет разработку и внедрение технологии восстановления таких ответственных деталей, как втулки цилиндров дизелей.
Средством решения задачи выбора рационального режима наплавки является создание моделей, устанавливающих взаимосвязь между принятыми показателями качества (геометрические размеры шва и физико-механические свойства биметаллического изделия) и параметрами режима.
Применение метода планирования многофакторного эксперимента позволяет значительно уменьшить число необходимых опытов и получить математические модели изучаемого процесса [ 85, 94JB виде уравнений
Факторы должны быть независимы друг от друга и управляемы.
Учитывая, что число факторов при плазменной наплавке велико, необходимо установить доминирующие. На основании литературного обзора [ 18, 29, 31, 51, 79, 104, III и др.] и проведения отсеивающего эксперимента по методу насыщенных планов [ 94 ] выбрано четыре технологических параметра, которые заметно влияют на площадь проплавлення чугуна, прочностные свойства сварного соединения и геометрические размеры наплавляемого валика: Ju - ток в цепи "электрод-изделие"; ]лр. - ток в цепи "электрод-присадочная проволока"; 1 - скорость наплавки; Qn - расход плазмообра-зующего газа. Интервалы варьирования параметров приведены в табл. 3.1.
В качестве технологических критериев (параметров оптимизации) выбраны: прочность сцепления основного и наплавленного металлов; геометрические размеры валика (ширина и высота валика), площадь проплавлення и структурные изменения в зоне термического влияния.
Планирование осуществляли с помощью главной полуреплики типа 24- , позволяющей оценить все линейные эффекты и парные
взаимодействия \У 2= Х3Х4; -111 %х4; 2 = Х1Х4 Число опытов для такого типа реплик 8. Матрица планирования имеет вид [94]: I, ас, ad, аб, c,fd, caf, або.
Уравнение регрессии выразится в виде полинома первой степени:
/у - число опытов. Коэффициенты регрессии показывают степень влияния каждого фактора на анализируемый показатель при фиксированном положении (на среднем уровне) других факторов. Знак при коэффициенте показывает качественную сторону влияния фактора на выходной параметр [85].
