автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ШАТУНОВ ВЫСОКОФОРСИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ



На правах рукописи

СОРОКИНА ЛЮБОВЬ АЛЕКСАНДРОВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ШАТУНОВ ВЫСОКОФОРСИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Специальность 05.20.03 -Технологии н средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2005

Работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Косырев Сергей Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Денисов Александр Сергеевич

кандидат технических наук, профессор Калинников Николай Яковлевич

Ведущая организация: ОАО «КАМАЗ-Дизель», г. Набережные Челны

Защита диссертации состоится 26 мая 2005г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу: 410056 г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова.

Автореферат разослан а££_у> апреля 2005 года

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из причин кризисного состояния современного сельского хозяйства страны является резкое снижение сто технического оснащения. На техническое обслуживание, текущие и капитальнее ремонты двигателей внутреннего сгорания сельскохозяйственного назначения затрачивается средств в 5-6 раз, а труда - в 10-15 раз больше, чем на их изготовление. При этом ресурс отремонтированных двигателей составляет 40-50% ресурса новых. По данным машиноиспытательных станций, 25-30% двигателей при обкатке и испытании имеют показатели эксплуатационной надежности ниже нормативных и стандартных.

Как показали исследования эксплуатационной надежности современных дизелей сельскохозяйственного назначения, 40-50% отказов и неисправностей приходится на двигатель внутреннего сгорания* а после капитального ремонта этот показатель увеличивается до 75%. При этом, по данным эксплуатации, представленным ОАО «Дизельсервис», около 14% составляют усталостные трещины в кривошипных головках в зоне сопряжения нижнего шатунного болта с крышкой кривошипной головки из-за выполнения цековки малым радиусом на последней, около 12% составляют изломы зубчатого стыка в соединении «крышка- кривошипная головка», свыше 11%— отказы по обрывам нижних шатунных болтов. Каждая усталостная трещина в указанных деталях способствует полному выходу ш строя дизеля (пробит блок-картер, задиры подшипников и поршней, поломки коленчатого вала и др.), что создает ощутимые экономические потери. Так, например, затраты на восстановление аварийных дизелей 6ЧН 2Ш1 из-за поломок элементов шатунов за 2003 год составили 130 млн. рублей.

Таким образом, ресурсоопределятощимн деталями двигателей являются элементы шатуна: головки шатуна, зубчатый стык кривошипной головки, шатунный болт, подшипники поршневой и кривошипной головок, работающих в условиях знакопеременных циклических нагрузок под действием высоких давлений газов, сил инерции по асимметричному циклу и подверженные усталостному разрушению. Характерным отличием развития степени усталостных разрушений элементов шатунов является большее рассеивание по срав-нешпо с закономерностями изнашивания н изменения геометрической формы в процессе эксплуатации, что следует из значений коэффициентов корреляции (по данным Ф.Н. Авдонькина, A.C. Денисова и др.). Следовательно, прогнозирование н предупреждение усталостных разрушений элементов шатуна даже с использованием диагностических средств более сложно, чем износных отказов. Другая отличительная особенность усталостных разрушений деталей шатуна двигателей сельскохозяйственного назначения - их меньшая пригодность к восстановлению и ремонту. Как правило, шатуны, шатунные болты и подшипники скольжения с усталостными трещинами восстановлению и ремонту не подлежат и выбраковываются^-Шложевное, позволяет коистатиро-

вать, что для повышения эксплуатационной кад^Ер£щхДОментов

3® фонд научной литературы

шатунов

двигателей сельскохозяйственного назначения малоотходными технологическими методами требуются новые подходы. В настоящее время проблема технологического обеспечения для повышения эксплуатационных свойств деталей шатуна решается деформационным упрочнением поверхностного слоя, основными достоинствами которого являются:

— возможность получения поверхностей малой шероховатости (И* до 0,08 мкм);

— небольшие температуры нагрева поверхностного слоя, не вызывающие прижога, больших термических напряжений, обезуглероживания;

— формирование остаточных напряжений сжатия, повышающих эксплуатационные свойства элементов шатуна;

— уменьшение влияния локальных концентраторов напряжений;

— малый коэффициент трения и хорошая смачиваемость смазочными веществами;

— хорошая адгезия (сцепление) с покрытиями.

Поэтому в диссертации была поставлена и решена проблема, заключающаяся в повышении эксплуатационной надежности элементов шатунов двигателей сельскохозяйственного назначения путем учета комплексного влияния основных факторов в процессе эксплуатации: остаточных, монтажных и рабочих напряжений.

Актуальность работы подтверждается тем, что она является частью исследований, входящих в комплексные научно-технические программы ЗЛО «Волжский дизель им. Маминых»: 0.13.07 «Создание и освоение производства новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», а также других целевых комплексных научно-технических программ по развитию сельскохозяйственного и автомобильного двигателестроения.

Научные и практические результаты работы выполнены в соответствии с гратом № НШ-2064.2003.8 Минпромнауки России и использованы в плановых госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работах за 2000-2004 гг., выполняемых на кафедре «Управление и информатика в технических системах» Балаковского института техники, технологии и управления Саратовского государственного технического университета.

Цель исследования: повышение эксплуатационной надежности элементов шатунов дизелей технологическими методами с использованием поверхностного пластического деформирования.

Объект исследования: шатуны высокофорсированных дизелей 6ЧН 21/21 (6ДМ-21А).

Предмет исследования: технологический метод повышения эксплуатационной надежности шатунов автомобильного дизеля.

Методы и средства исследований. Поставленные задачи требовали параллельного применения теоретических и экспериментальных методов исследования. Теоретические исследования были проведены с использованием рас-четно-аналитических методов теории упругости, строительной механики стержневых систем, сопротивления материалов и метода конечных элементов.

Экспериментальные методы исследований базировались: на электротензометрии, механических, методах и приборе «ЗЬе^ап-ЗОО» при исследовании начальных остаточных напряжений после дифференцированной гидро-дробе струйной обработки шатунов и образцов-свидетелей.

Научная новизна. Развиты и решены поставленные практикой задачи теории напряженного состояния шатунов высокофорсироаанных У-образных автомобильных дизелей на основе метода конечных элементов. Применением метода конечных элементов в сочетании с контактным конечным элементом смоделирован процесс проскальзыванця и раскрытия стыка кривошипной головки шатуна, а с учетом нзгибных напряжений проанализирована силовая схема работы шатунного болта.

Разработан и апробирован на практике метод поверхностного пластического деформирования шатуна и образцов-свидетелей дифференцированным и гидродробеструйным упрочнением. Теоретически оценены начальные остаточные напряжения в поверхностном слое высоконагруженных элементов шатунов после поверхностного пластического деформирования.

Практическая ценность. Предложенный метод дифференцированного тадродробеструйного упрочнения наружной поверхности шатунов повышает эксплуатационную надежность путем снижения неравномерности результирующих напряжений и повышает коэффициент использования металла.

Конструкционно-технологическое решение шатунного болта снижает концентрацию напряжений и составляющую инерционного натр ужения, повышает эксплуатационную надежность болтового соединения кривошипной головки шатуна и дизеля в целом.

Реализация результатов работы. На основании разработанных комплексных методов были выявлены недостатки шатунов, ограничивающие надежность в эксплуатации, определены пути активного совершенствования шатунов, выявлены имеющиеся резервы и направления по снижению металлоемкости и повышению коэффициента использования металла технологическими методами. В ЗАО «Волжский дизель им. Маминых» и других организациях серийно внедрен комплекс мероприятий по повышению эксплуатационной надежности высокофорсированных дизелей малоотходными технологическими методами.

Результаты выполненных в работе исследований нашли отражение в нормативных материалах по автомобильному дизелестроению, в технологических отчетах ЗАО «Волжский дизель им. Маминых». По мере разработки они применялись при проектировании, совершенствовании и эксплуатации нескольких поколений автомобильных высокофорсированных дизелей, созданных в ЗАО «Волжский дизель им. Маминых», в каждом из которых были достигнуты высокий технологический уровень и эксплуатационная надежность, включая модификации, отмеченные государственными премиями, аттестованные на высшую категорию качества и поставленные в ряд зарубежных стран (Иран, Ирак, Алжир, Куба, Йемен, Эфиопия н др.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: V Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (БИБиУ, Балаково, 2002); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы технического сервиса в агропромышленном комплексе» (Москва, 2002); Межгосударственных научно-технических семинарах «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ» (СГАУ, Саратов, 2001-2003); VI Всероссийской науч-но-пракшческой конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2003); VIII Международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (Пенза, 2003).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ в центральной печати и сборниках научных трудов, в том числе патент РФ на изобретение. Объем публикаций составляет 4,89 пл., в том числе лично автору принадлежит 1,74 пл.

Структура м объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок, 15 таблиц, список литературы содержит 100 источников.

На защиту выносятся:

-исследования напряженного состояния поверхностного слоя шатуна методом конечных элементов;

— экспериментальные исследования влияния напряженного состояния поверхности детали в эксплуатационных условиях;

- дифференцированная гидродробеструйная обработка как способ повышения эксплуатационной надежности.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введения обоснована актуальность и новизна темы, дана общая характеристика выполненной работы, сформулированы основные результаты.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» критически рассматривается широкий круг литературных источников, в которых освещены методы повышения эксплуатационной надежности шатунов, расчетные и экспериментальные методы оценки их циклической напряженности, а также результаты применения этих методов при конструировании высокофорсированных дизелей.

Анализ технологических методов повышения эксплуатационной надежности шатунов показал, что поверхностное пластическое деформирование (ППД) гидродробеструйной обработкой (ГДО) является одним из наиболее эффективных методов. Применение ППД позволяет уменьшить эффективный коэффициент концентрации напряжений и обеспечить равнопрочиость конструкции по всем участкам поверхности. Упрочнение деталей методом ППД ба-

зируется на закономерностях упруго пластического деформирования поверхностного слоя твердым телом. Механизм упрочнения ППД состоит в лавинообразном развитии дислокаций, скапливающихся вблизи линии сдвигов, и последующей их остановке различными препятствиями. В первый момент происходит дробление зерен на блоки с образованием мозаической структуры, Далее, из-за развития сдвигов по плоскостям скольжения образуются новые, более мелкие зерна. Кристаллы, теряя первоначальную форму, сплющиваются и вытягиваются в направлении деформирования с формированием волокнистой структуры с анизотропными свойствами. При неправильно выбранных, «завышенных» режимах упрочнения может произойти перенаклеп металла, который проявляется в образовании микротрещин, снижении начальных остаточных напряжений сжатия, увеличении шероховатости. При этом изменение последней рассматривается как фактор, оказывающий влияние только на момент появления трещин. Перенаклеп снижает эксплуатационные свойства конструкций, не поддающиеся термообработке.

В плане повышения эксплуатационной надежности шатунов высокофорсированных автомобильных дизелей технологическими методами, например, ППД ГДО, имеется ряд публикаций (АЛ. Овсеенко, И.В. Кудрявцев, СЛ. Косырев), уделяющих первостепенное внимание вопросам образования начальных остаточных технологических напряжений, возникающих в результате ППД, и объемных изменений материала по сечению при обработке. При этом стабилизация физико-технических параметров поверхностного слоя, перераспределение начальных остаточных напряжений с образованием эпюр, присущих только поверхностному деформированию, эквивалентны снятию внутренних сил от начальных остаточных напряжений.

На основании результатов изучения состояния вопроса и выполненного выше анализа наиболее актуальных путей повышения эксплуатационной надежности шатунов высокофорсированыых дизелей технологическими методами был определен комплекс следующих задач:

1. Определить напряженное состояние шатуна в эксплуатационных условиях .используя метод конечных элементов и другие методы расчета.

2. Разработать методику и провести экспериментальную проверку напряженного состояния элементов шатуна,

3. Разработать технологию дифференцированного упрочнения элементов шатунов, позволяющую управлять поверхностным пластическим деформированием различных участков поверхности конструкции.

4. Провести экспериментальную и теоретическую проверку эффективности предлагаемой технологии гидродробеструйной обработки элементов шатунов.

5. Дать технико-экономическую оценку эффективности результатов исследований.

Во второй главе «Теоретические основы напряженного состояния элементов крнвошипно-ш ату иного механизма» выполнены разработки

теоретических основ напряженного состояния элементов шатунов в условиях обработки поверхностным пластическим деформированием.

При ППД шатунов автомобильных дизелей в условиях циклического напряжения конструкция начальных остаточных напряжений сг^1 определяются зависимостью

где о? — среднее напряжение цикла, определяемое зависимостью

з — предел текучести материала шатуна.

При развитии расчетных методик по определению напряжений в высо-конагруженных деталях транспортных дизелей в настоящее время распространено применение метода конечных элементов (МКЭ), позволяющего ре-тать задачи теории упругости применительно к упругим телам сложных геометрических форм. При этом конкретные рекомендации в технической литературе по эффективному использованию методик на базе МКЭ отсутствуют, а также нет математического пути решения сходимости по МКЭ, а используемое шаговое увеличение числа конечных элементов (КЭ) приводит к тому, что решение по МКЭ сходится при бесконечном увеличении числа КЭ. Поэтому требуется детальное изучение вопросов применения МКЭ в расчетах напряженного состояния высоконагруженных деталей высокофорсированных транспортных дизелей, в частности шатуна как одной из наиболее нагруженных и сложных для исследования конструкций.

Шатун высокофорсировакного автомобильного дизеля испытывает циклические знакопеременные напряжения, не превосходящие по условиям прочности предела пропорциональности. В этой связи решение задачи о напряженном состоянии шатуна МКЭ проводится в линейной и я геометрически нелинейной постановках, при этом алгоритм включает решение плоской задачи в прямоугольных и полярных координатах. В общем случае при расчете шатуна применяется треугольная форма КЭ, использование которой позволяет переложить большую часть труда на автоматическую подготовку информации на ЭВМ. В представленной постановке МКЭ используется как дополнительный метод для создания новых конструкций шатунов на стадии проектирования, изготовления и ремонта автомобильных дизелей с решением задачи параметрической оптимизации конструкции.

При определении реакций в шатуне использовалось уравнение МКЭ, решение которого позволяет определить перемещение узловых точек схемы идеализации расчета

[Е,ИкШ«м, (I)

где {р} — вектор узловых усилий; {<7} — вектор-столбец узловых перемещений; [К] - матрица жесткости системы КЭ; [Е,] - диагональная матрица.

Определение реакций по граничным условиям для поршневой и кривошипной головок шатуна в прямоугольной системе координат нереально, так как требуется учет тангенциальных деформаций и перемещений, соизмеримых между подшипниками н шатунной шейкой коленчатого вала. Поэтому граничные условия рассматриваются в полярное системе координат. Принимая во внимание сказанное, тангенциальное перемещение

9?=р (2) где р*—радиус вектор к-й узловой точки; ДФк - угловое перемещение Лг-Й узловой точки.

Для определения вектора перемещений в полярной системе координат преобразован вектор

И-[«1-й (3)

где } — вектор перемещения узловых точек в полярной системе координат, [и] — матрица преобразования координат направляющих косинусов.

Вектор {рр} узловых усилий в полярной системе координат

И-[«МрЬ (4)

Известно, что между узловыми усилиями и узловыми перемещениями существует взаимосвязь

{Р}=ф]'Ы. (5)

В полярной системе координат зга связь имеет вид

Н=И-И> (6)

где [я'] — матрица жесткости всей системы КЭ в полярной системе координат.

При подстановке (6) в левую и (5) в правую части равенства (4) и преобразовании полученного выражения, окончательно получено

М-М-М-МГ. (7)

По формуле (7) можно перевести решение по определению вектора перемещений го прямоугольной системы координат в полярную. Для сохранения единого алгоритма по определению напряжений в шатуне в прямоугольной системе координат целесообразно преобразовать вектор | в Согласно (3),

Ы-[«Г-И. (8)

Для разработки исходной информации по силовым граничным условиям в кривошипы о-шатунных механизмах при любом положении кривошипа с учетом реального распределения массовых сил и данных индикаторной диаграммы готовится одновременный массив с числом элементов, равных числу положений кривошипа, и вспомогательная процедура, результатом которой является массив нагрузки, вводимой в дальнейшем в программу счета без каких-либо изменений и дополнений. В результате расчета шатуна МКЭ опре-

деляются: вес, координаты центра тяжести, моменты инерции и проекции суммарного вектора сил на прямоугольные оси координат, деформированное состояние шатуна, выраженное через перемещения узловых точек, реакция в узловых точках, напряженное состояние конструкции.

Анализ традиционных методов расчета напряженности и прочности кривошипной головки шатуна (метод P.C. Кинасошвили, ИЛ. Биргера, М.А. Салтыкова, Б Л, Василевского и др.), основанных на гипотезах спаянности и плоскостности стыков, показал их условность в оценке работоспособности стыковых сопряжений, не отражающих физико-механических процессов контактирования поверхностей разъема. Для этих методов специфично отдельное рассмотрение работы контура как монолитной детали, болтового соединения и посадки вкладыша в постель подшипника. Проведенный анализ методов определения характеристик контактного взаимодействия зубчатых стыков позволил сделать вывод о наиболее целесообразном применении для этой цели МКЭ в сочетании с контактным конечным элементом (ККЭ), применение которого имеет ряд преимуществ:

-учитываются особенности шероховатости контактирующих поверхностей зубчатого стыка - тангенциальная Kt н нормальная контактная К„ жесткости н коэффициент трения покоя;

- осуществляется решение нелинейной задачи из-за зависимости криволинейного закона изменения тангенциальной и нормальной жесткостей и коэффициента трения покоя от давления в зубчатом стыке и параметров шероховатости последнего;

—в процессе решения задачи устанавливается возникновение раскрытия стыка;

— определяются законы распределения иормальпых и кокгакгаых напряжений в зубчатом стыке кривошипной головки шатуна.

Введение ККЭ в аппроксимацию кривошипной головки позволяет не только использовать их для решения контактной задачи, но и более достоверно моделировать нагружение шатунного болта в предварительно затянутом соединении кривошипной головки, позволяет определить уровень изгибных напряжений в стержне болта, являющихся следствием сложной деформации кривошипной головки.

В третьей главе «Разработка методики к экспериментальная проверка напряженного состояния элементов шатуна» разрабатывается и проводится экспериментальная проверка напряженного состояния элементов шатуна высокофорсированпого дизеля в эксплуатационных условиях.

Детали сложной конфигурации типа шатун изготавливают с низкими коэффициентами использования металла (А"**,=03-0,4), обусловленными большим припуском под механическую обработку. Одной из причин, сдерживающих повышение коэффициента Кщ*, считается наличие дефектного обезуглероженного слоя в заготовке и необходимость его удаления. Дефектный слой получается путем выгорания углерода с поверхности при термообработке заготовки. Вместе с тем по каждой конкретной конструкции шатуна

отсутствуют исследования по обоснованию параметров дефектного слоя и оценке степени его разупрочняющего влияния на эксплуатационные свойства детали. Способ компенсации отрицательного влияния дефектного слоя путем задания определенного припуска под последующую механическую обработку представляется пеоотимальным ввиду значительных затрат и потерь металла в стружку.

Дня исследования параметров дефектного слоя использовались нормализованные образцы из стали 40X1 СОМА, изготовленные из штатного шатуна, с диаметром рабочей части 7-10"3 м, что соответствовало толщине полки тавра шатуна. Обезуглероженный слой был получен в образцах с помощью термообработки, применяемой в процессе изготовления шатунов. Во всех случаях образцы использовались при консольном знакопеременном изгибе в одной плоскости, В условиях асимметричного цикла нагружения образец дополнительно подвергался воздействию статической растягивающей нагрузки. Начальные остаточные напряжения с" в поверхностном слое образцов оценивали на глубине 2-1(Г5 м и контролировали посредством метода измерения магнитаупругостн материала прибором «Б&геззсап-ЗОО» (США — Финляндия). Полученные данные показывают, что состояние поверхностного слоя шатуна по параметрам ег" не является рациональным, правильно регламентированным в научной технической литературе и технологически не обеспеченным, что не способствует наиболее полному использованию эксплуатационных свойств заготовки.

На основании изложенного анализа практики замера начальных остаточных напряжений определены следующие основные направления повышения эксплуатационной надежности шатунов автомобильных дизелей:

— совершенствование заготовки за счет перевода её на точную штамповку;

— совершенствование технологии упрочнения шатунов, обеспечивающей повышение запаса их усталостной прочности и эксплуатационной надежности технологическими методами;

— совершенствование конструктивной формы шатуна по условиям достижения равнопрочности сечений, снижения и выравнивания напряженности для смежных объемов металла,

В четвертом главе «Разработка н обоснование технологических методов и средств повышения эксплуатационной надежности элементов шатунов» для более полного учета совместного влияния рабочих и остаточных напряжений на напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя разработан метод дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наружной поверхности шатуна автомобильного дизеля. В шатуне, содержащем стержень, поршневую и кривошипную головки, в поверхностном слое всех сечений уровень начальных остаточных напряжений наводят дифференцированным упрочнением по высоте шатуна от верхней точки поршневой головки (рис. 1):

ш

Ш1

оГ

к +■ *

т

в'-

+ * * т

Рис. 1. Распределение характерных зон в шатуне и эпюры средних рабочих, начальных остаточных и результирующих напряжений по ним:

; --(0,1-0,15)свд --(0,15-0,16) вод; 1 -(0,0125-0,16) вод; =-(0,03-0,13) оод; =-(0,125-0,13) вод;

—в зоне протяженностью (0-0,3 }<Г

- в зоне протяженностью (0,3-0,б)«/1

- в зоне протяженностью 0,&Л-0,15/

- в зоне протяженностью (0,15-0,7)/

- в зоне протяженностью где <Г я <Г - диаметры поршневой и кривошипной головок соответственно;

I - длина стержня шатуна; — сжимающие начальные остаточные напряжения; вод - предел текучести материала детали

Для реализации заданных значений начальных остаточных напряжений, полученных расчетыо-аналитическим метолом, программируется изменение технологических параметров потока шариков во времени при обработке поверхности шатуна на установке ГДЭУ-5 (рис. 2). Предлагаемая схема ГДУ на установке, содержащей рабочую камеру (на рисунке не показана): шатун 1 установлен на оси привода вращения 2, имеющего движение W, дробеструйный пистолет 3, установленный с возможностью перемещения по осям X и У и повороту по углу атаки со от манипулятора 4. При программировании для выявления зон по реле времени устанавливается текущее значение I ГДУ участков шатуна и угла атаки со как функции от перемещений X V обеспечивающих достижение заданного уровня начальных остаточных напряжений по распределению позиции 5 на рис. 2. В соответствии с программой осуществляется гидродробеструйная обработка дифференцированным упрочнением поверхности шатуна по зонам. Таким образом, в поверхностном слое шатуна формируется начальное остаточное напряжение в строгом соответствии с величиной действующих рабочих циклических напряжений на различных участках поверхности шатуна.

Описанный способ позволяет активно управлять деформационным упрочнением различных участков поверхности конструкции, что дает возможность существенно повысить равномерность нагружения смежных объемов металла, равнопрочность при усталостном натружекии и эксплуатационную надежность по критерию «усталостная прочность».

Рис. 2. Схема дифференцированного ГДУ шатунов автомобильных дизелей; 1 - шатун; 2 - привод вращения; 3 - дробеструйный пистолет; 4 — манипулятор

Для повышения коррозионной прочности зубчатого стыка кривошипной головки шатуна автомобильного дизеля в ЗАО «Волжский дизель им. Маминых» предложен технологический метод (патент РФ № 2219043) - ППД гидродробеструйной обработкой на установке ГДЭУ-5 (рис. 3).

Рис. 3. Метод обработки зубчатого стыка кривошипной головки шатуна: 1 - крышка; 2 - кривошипная головка шатуна; 3,4 - зубчатые стыки; 5—шарики; б - сопла

Устанавливают крышку 1 и кривошипную головку 2 в камеру установки ГДЭУ-5 зубчатыми стыками 3 и 4 под сопла 6. Включают установку ГДЭУ-5 и за время упрочнения ^=1-2 мин/участок обрабатывают поверхности стыков виброударно шарами 5. Давление эжектируемой жидкости

Рж=0,7±0,03 МПа создается от насоса установки ГДЭУ-5. Гидродробеструйное упрочнение зубчатого силка шатуна повышает коррозионную прочность и эксплуатационную надежность путем исключения начальных остаточных растягивающих напряжений после финишной обработки взамен их начальными остаточными напряжениями сжатия от ППД (рис. 4). Полученные положительные результаты позволяют применять ГДУ как окончательную операцию обработки зубчатых стыков шатунов без влияния на чистоту поверхности и размеры зуба.

Введение ГДО в ремонтную технологию позволяет нейтрализовать дефектный слой, образованный в процессе работы дизеля, снижающий эксплуатационные характеристики шатунов, а также повысить предел усталостной прочности в областях, подверженных усталостному разрушению. Многолетняя практика эксплуатации и ремонта дизелей показывает, что значительная часть основных деталей дизеля, поступающих в ремонт, имеет большой неиспользованный ресурс. Анализ технического состояния деталей и узлов дизеля позволяет установить возможность их повторного использования. Восстановление изношенных и поврежденных деталей позволяет значительно сократить простои, увеличить межремонтный срок службы, уменьшить расход сменных деталей, а в связи с этим снизить расход материала на их изготовление и, следовательно, стоимость ремонта.

Задачи исследования некоторых технологических операций, таких, например, как пщродробеструйное упрочнение, выходят за рамки, очерченные законом Гука, и сплошь и рядом приходится рассматривать вопросы, связанные с поверхностным пластическим деформированием (ППД). Изучение механики последнего и установление количественных связей между режимами ППД и напряженно-деформированным состоянием обработанных ППД поверхностей деталей составляет предмет исследования важного направления эксплуатационной надежности, так как аналитически учесть факторы, влияющие на формирование поверхностных слоев после ППД, сложно, и эта задача не имеет ни теоретического, ни экспериментального решения. Имеющиеся немногочисленные теоретические разработки базируются на определении начальных остаточных напряжений в режиме «насыщения», то есть на таком этапе процесса, дальнейшее

Рис.4. Кривые начальных остаточных напряжений в шлифованном зубчатом стыке (а) н в шлифованном зубчатом стыке с гидродробеструйным упрочнением (б)

йщц.

к;

л

777777777^77777^7

Рис. 5, Схема векторного

иагружения стержня разнородной упругости

проведение которого практически не изменяет напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя.

Рассматривается схема формирования начальных остаточных напряжений в пластически деформированном поверхностном слое детали после его разгрузки из предельного состояния. Дня этого из упрочненной ППД детали вырезан образец-свидетель в виде цилиндрического стержня ВС разнородной упругости (рис. 5), жестко защемленный и нагруженный силой Р. Элемент АС представляет упрочненный слой с приведенным модулем упрочнения высотой 0,015/, элемент АВ - не упрочненный участок с модулем упругости Ез высотой / (высота 0,015/ соответствует рекомендуемой в литературе минимальной толщине покрытия или максимальной глубине упрочненного слоя, соответствующей 0,3 мм).

В результате решения задачи о напряженном состоянии стержня разнородной упругости в упругой и упругопластической областях начальные остаточные напряжения в поверхностном слое после гидродробеструйного упрочнения определяются зависимостью

- ду(0.015Д) -£1) 0.015Ег + Е1

Здесь: <гт = 200 МПа - предел текучести материала детали (шатуна); £1 - приведенный модуль упрочнения упрочненного слоя; Е% — модуль упругости не* упрочненного слоя.

Результаты расчета начальных остаточных напряжений в поверхностном слое зубчатого стыка кривошипной головки шатуна по приведенной методике сг^—174,74МПа. Несоответствие между расчетными и экспериментальными значениями составляет 13%, что находится в пределах погрешности измерения. Упрочнение шлифованной поверхности зубчатого стыка гидродробеструйным упрочнением ликвидирует начальные растягивающие остаточные напряже-

(9)

200

-200

-400

-«0

I-сталь 18Х2Н4МЛ 1. сталь 40X1ВМА

0.2

<И

0.6

Рис. б. Зависимость начальных остаточных напряжений от глубины наклепанного слоя в радиусном сопряжении зубчатого стыка

ния, заменяя их начальными остаточными напряжениями сжатия с максимальной величиной на поверхности в 50-200 МПа при глубине наклепа (0,3-0,4)-10"* м (рис. 6).

В шатунах современных конструкций автомобильных высокофорсированных дизелей шатунные болты подвергаются действию знакопеременных циклических нагрузок от сил инерции, поэтому нх конструкция должна отвечать в первую очередь требованиям усталостной прочности и высокой эксплуатационной надежности при длительной работе. Так как качество поверхности шатунных болтов достигается на финишных операциях технологического процесса, то окончательная обработка оказывает решающее влияние на эксплуатационные свойства шатунов и дизелей в целом. Использованием гидродробеструйного упрочнения шатунных болтов на ЗАО «Волжский дизель им. Маминых» достигнуто: снижение эффективного коэффициента концентрации напряжений в галтельной зоне шатунного болта до 00=1,38 (согласно известной формуле Нейбера для этой же зоны без гидродробеструйного упрочнения (Vе!,86, по справочным данным для этой же зоны №¡,=3,0). Таким образом, ППД снижает уровень концентрации напряжений на 27%, что выходит за пределы погрешности измерений (10%) и обеспечивает повышение эксплуатационной надежности конструкции. В результате ГДУ на поверхности галтели перехода стержня шатунного болта в головку создаются начальные остаточные напряжения сжатия -10,5...-40,8 МПа, что свидетельствует: если на поверхности галтели шатунного болта в процессе эксплуатации возникает усталостная трещина, то основным фактором, определяющим сопротивление усталости детали, будет величина суммарных (рабочих и начальных остаточных сжатия) напряжений на поверхности и прочность поверхностного слоя. Дифференцированная пщродробеструйная обработка шатунных болтов снижает неравномерность распределения результирующих напряжений по отдельным сечениям и повышает равнопрочность конструкций по критериям «усталостная прочность» и «эксплуатационная надежность». В результате применения подголовочного перехода с выполненной на торцевой поверхности кольцевого бурта кольцевой выемкой, плавно сопряженной с центровочным пояском, эксплуатационная надежность шатунного болта повышается за счет снижения амплитуды динамической составляющей в 2,4 раза и уменьшения эффективного коэффициента концентрации напряжений в 1,4 раза.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка технологических методов повышения эксплуатационной надежности элементов КШМ вы-еокофорсированных дизелей» приведен расчетный годовой экономический эффект от внедрения гидродробеструйной обработки шатунов на программу высокофорсированных дизелей ЧН21/21

Э„ - ДС-£„-ДК=-2215,62-0,15-1432,57 = 2000,75 тыс. руб.

Снижение удельных затрат на ремонт при введении ГДО в ремонтную технологию составило 145,6%.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основании экспериментальных и теоретических исследований, выполненных в настоящей работе, можно сделать следующие выводы:

1. Анализ основных литературных источников показал, что в настоящее время проблема технологического обеспечения повышения эксплуатационных свойств решается деформационным упрочнением поверхностного слоя, но имеющийся опыт нельзя привнести на практику без дополнительных исследований.

2. Результаты исследования напряженного состояния в эксплуатационных условиях знакопеременного циклического нагружешы с применением МКЭ позволяют более достоверно оценивать эксплуатационную надежность конструкции по критерию усталостной прочности. Показано, что использование ККЭ в решении задачи стыкового соединения кривошипной головки шатуна более полно моделирует нагружение шатунного болта в предварительно затянутом соединении кривошипной головки. Расчетная методика МКЭ по определению напряжений в шатунных болтах, сохраняя единую схему идеализации упругой системы «шаггун - болт», позволяет определить уровень из-гибных напряжений в стержне болта, являющихся следствием сложной деформации кривошипной головки шатуна.

3. Для проверки достоверности расчета напряженного состояния шатуна и его элементов, а также определения среднего напряжения цикла с цепью назначения начальных остаточных напряжений при ППД проведена экспериментальная оценка. Сопоставление расчетных напряжений с экспериментальными данными показывает, что разность значений напряжений, полученная тем и другим способами, не превышает 10%, то есть точность расчета МКЭ лежит в пределах погрешности эксперимента.

4. Разработан и освоен на практике малоотходный метод дифференцированного гцародробеструйного упрочнения шатунов, позволяющий активно управлять ППД различных участков поверхности конструкции, что дает возможность существенно повысить неравномерность нагружения смежных объемов металла и равнопрочное» конструкции при усталостном нагружешш. Предполагаемая технология позволяет снизить материалоемкость процесса до 50%, довести коэффициент использования материала до Кт=0,S-0,9, снизить трудоемкость изготовления шатуна на 3-4 н.ч^ освободить 11-12 фрезерных станков и рабочих, их обслуживающих. Изучены и показаны пути повышения эксплуатационной надежности шатунных болтов и зубчатых стыков (патент РФ № 2219043) шатунов конструкторско-техяологияескими методами. Гидродробеструйным упрочнением шатунных болтов снижается уровень концентрации напряжений на 27%, что обеспечивает повышение предела усталостной прочности и работоспособности шатунных болтов высокофорсировашшх дизелей.

5. Проведена теоретическая оценка начальных остаточных напряжений в поверхностном слое высокоиагруженных элементов шатунов после поверхностного пластического деформирования. Сравнительный анализ начальных

остаточных напряжений на примере зубчатого стыха шатуна показывает удовлетворительную сходимость результатов расчета с экспериментальными данными. Анализ эпюр показывает, что при дифференцированном ПЦЦ гидродробеструйной обработкой неравномерность распределения результирующих напряжений по отдельным сечениям шатуна снижается в 5-5,5 раза и, соответственно, повышается равноорочность и эксплуатационная надежность конструкции по критерию «усталостная прочность».

6. Анализ технического состояния деталей и узлов дизеля устанавливает возможность их повторного использования. Введение в ремонтную технологию ГДО позволяет нейтрализовать дефектный слой, образованный в процессе работы дизеля, снижающий эксплуатационные характеристики шатунов, а также повысить предел усталостной прочности в областях, подверженных усталостному разрушению. Снижение удельных затрат на ремонт составило 145,6%.

7. Результаты диссертационной работы внедрены в производство н народное хозяйство с годовым экономическим эффектом 2000,75 тыс. руб.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1, Сорокина ЛА. Упругопластическое деформирование шатунного болта высокофорсированного дизеля / СЛ. Косырев, ЛА. Сорокина // Актуальные проблемы транспорта Поволжья и пути их решения: Межвуз. науч. сб. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2001. С. 124-126 (0,2/0,1 пл.).

2. Сорокина Л. А. Повышение коррозионной прочности зубчатого стыка кривошипной головки шатуна высокофорсированного дизеля технологическим методом / СЛ. Косырев, ЛА. Сорокина // Инновации в машиностроении: Сб. статей: Пенза, 2002. С. 121-123 (0,26/0,13 пл.).

1 3. Сорокина Л .А Повышение надежности шатунных болтов высокофорсированных дизелей / СЛ. Косырев, АЗ. Разуваев, Л А. Сорокина Н Дви-гателестроение. 2002. №4. С. 5-6 (0,39/0,13 пл.).

4. Сорокина ЛА. Конструкторско-технологические методы повышения работоспособности шатунных болтов высокофорсированных дизелей / С.П. Косырев, ЛА. Сорокина // Повышение эффективности эксплуатации транспорта: Межвуз. науч. сб. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2002. С. 106-111(0,38/0,19пл.).

5. Сорокина ЛА. Особенности применения метода конечных элементов для расчета напряженного состояния высокофорсированных деталей транспортных дизелей / С.П. Косырев, Л А. Сорокина, Р.М. Рафиков // Повышение эффективности эксплуатации транспорта: Межвуз. науч. сб. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2002. С. 112-120 (0,68/0,23 пл.).

6. Оценка начальных остаточных напряжений в материалах разнородной упругости нагруженных деталей высокофорсированных дизелей с позиции векторного нагружения / С.П. Косырев, ЛА, Сорокина, Р.М. Рафиков,

Е,А. Комиссаренко // Векторная энергетика в технологических, биологических и социальных системах: Матер. V Рос. науч. конф. / СООО «АН ВЭ». Балаково, 2002. С. 11-19 (0,5/0,13 пл.).

7. Сорокина JLA. Остаточные напряжения - резерв прочности нагруженных деталей высокофорсироваиных дизелей / СЛ. Косырев, Л.А. Сорокина, P.M. Рафиков // Современные технологии в машиностроении - 2003: сб. статей VI Всерос. науч.-практ. конф., Пенза, 2003. С. 306-308 (0Д/0Д пл.).

8. Технологические методы обеспечения работоспособности нагруженных деталей высокофорсированных дизелей / СЛ. Косырев, Л.А. Сорокина, P.M. Рафиков, Е.А. Комиссаренко // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2004. № 4. С. 22-24 (0,4/0,1 пл.).

9. Исследование остаточных напряжений в высоконагруженных деталях форсированных дизелей / СЛ. Косырев, A.B. Разуваев, JI.A. Сорокина, P.M. Рафиков, Е.А. Комиссаренко // Двигагелестроение. 2003. № 2. С. 21-24 (0,57/0,12 пл.).

10. Сорокина ЛА. Особенности поверхностного пластического деформирования высоконагруженных деталей транспортных дизелей / СЛ. Косырев, Л .А. Сорокина, P.M. Рафиков // Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков: VIII Междунар. науч.-техн. конф. Пенза, 2003. С. 7-10 (0,6/0,2 пл.).

11. Сорокина Л .А. Оценка усталостной прочности зубьев стыков шатунов высокофорсированных дизелей/ СЛ. Косырев, Л. А. Сорокина Я Повышение эффективности эксплуатации транспорта: Межвуз. науч. сб. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2003. С. 68-73 (0,5/0,25 пл.).

12. Сорокина Л А.. Поверхностное пластическое деформирование высоконагруженных деталей автомобильных высокофорсированных дизелей/ СЛ. Косырев, Л .А. Сорокина, P.M. Рафиков // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: Матер, межгос. науч.-техн. семинара. Вып. 16. Саратов: Сарат. гос. агр. ун-т им. Н.И.Вавилова, 2004. С. 92-94 {0,2/0,06 пл.).

13. Патент РФ на изобретение. Лг2219043 Способ обработки зубчатого стыка кривошипной головки шатуна / С.П. Косырев, A.B. Разуваев, Л.А. Сорокина. 2003. Бюл. № 35. 6 С.

Лицензия ИД Na 06268 от 14.11.01

Подписана в печать 24.04.05 Формат 60x84 1/16

Бум. тип, Усл.-печ. л. 0,93(1,0) Уч.-азд.л. 0,9

Тираж 100 экз. Заказ 129 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет 410054, г, Саратов, ул. Политехническая, 77 Копшгринтер СГТУ, 410054, г, Саратов, ул. Политехническая, 77

#-83 14