автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной надежности цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей дифференцированным гидродробеструйным упрочнением

На правах ругсоппси

/7

СИНЧУРИН ДЕНИС ВАСИЛЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ЦИЛИНДРОВЫХ ВТУЛОК ВЫСОКОФОРСИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЕЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫМ ГИДРОДРОБЕСТРУЙНЫМ УПРОЧНЕНИЕМ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов - 2014

005557042

005557042

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Косырев Сергей Петрович

Межецкий Геннадий Дмитриевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», профессор кафедры «Детали машин, подъемно-транспортные машины и сопротивление материалов»

Комнссаренко Евгений Алексеевич

кандидат технических наук,

заместитель директора

ООО «Патриот-Авто», г. Балаково

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»

Защита состоится « 24 » ноября 2014 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, аудитория 319/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» п па сайте www.sstu.ru

ял

Автореферат разослан « » сентября 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета / ____Игнатьев Александр Анатольевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При переходе на изготовление форсированных дизелей нового поколения возрастают требования к работоспособности и надежности конструкций. Из-за тенденции постоянного форсирования дизелей по параметрам частоты вращения и термодинамического цикла возрастает величина динамической напряженности деталей, снижается эксплуатационная надежность, что вызывает необходимость полностью использовать факторы, влияющие на износостойкость и усталостную прочность.

Увеличение агрегатной и цилиндровой мощностей форсированных дизелей приводит к увеличению размеров цилиндровых втулок. Необходимо проводить проверку надежности цилиндровых втулок по критерию «усталостная прочность», т.к. большинство поломок (на основании практики ремонта и литературных данных) вызвано усталостными разрушениями в характерных участках с наличием концентраторов напряжения. Дальнейшее форсирование дизелей требует проведения специальных исследований по повышению усталостной прочности цилиндровых втулок методами поверхностного пластического деформирования (ППД).

Упрочнение поверхностным пластическим деформированием является одной из главных проблем в ресурсосберегающем технологическом процессе производства современных деталей машин. Такое большое значение проблемы ППД объясняется следующими основными особенностями:

- поверхностный слой цилиндровой втулки в условиях эксплуатации имеет малое противостояние усталости из-за возникновения и развития усталостных трещин, коррозии, природной склонности к возникновению концентрации напряжений, износа и других факторов;

- максимальные динамические напряжения возникают в поверхностном слое от изгиба и кручения, которые являются главными видами нагрузки на детали.

Актуальность темы определяется необходимостью повышения эксплуатационных характеристик и обеспечения работоспособности цилиндровых втулок на весь период эксплуатации форсированных дизелей, т.к. втулки являются ресурсоопределяющими деталями дизеля. Потеря работоспособности втулки наблюдается из-за усталости материала под действием циклических нагрузок, в результате которых зарождаются усталостные трещины, около 92,5% отказов по представленным данным ООО «ПКР Дизельсервис», наблюдаемым в процессе эксплуатации дизелей.

В целях снижения образования усталостных трещин и концентрации напряжений от рабочих нагрузок необходимо направленно воздействовать на эти участки упрочняющими методами ППД. Упрочнением поверхностного слоя при помощи ППД и образованием до начала эксплуатации благоприятных начальных технологических остаточных напряжений различных деталей занимались такие ученые как И.В. Кудрявцев, А.Н. Овсеенко, А.Г. Суслов, С.П. Косырев и многие другие. Но в технической литературе отсутствует информация об исследованиях динамически напряженного состояния цилиндровой втулки на развернутых работающих дизелях, не создана методика и программа их испытаний на динамическую прочность. Без учёта динамических напряжений в поверхностном слое втулки исключается возможность применения ресурсосберегающих технологических методов ППД для повышения ее работоспособности, так как основным критерием эффективности

оценки ППД являются значения остаточных напряжений, задаваемых в поверхностных слоях цилиндровой втулки, равные значению динамических рабочих напряжений. Вопросы локального воздействия ППД на определенные участки были рассмотрены в работах, посвященных исследованию коленчатых валов Марьиной H.JI. [6], шатунных подшипников Горшкова Е.А. [7], шатунов Сорокиной J1.A. [8], но их исследования не подходят для тонкостенных цилиндровых втулок, работающих в другой системе нагружения и воздействия температуры.

Выполнение работ по решению проблемы повышения работоспособности цилиндровых втулок представляет собой часть исследований, входящих в комплекс научно-технических программ ОАО «Волжский дизель им. Маминых»: 015.05 «Создание и освоение производства локомотивов большой секционной мощности и высокопроизводительных машин для ремонта железнодорожных путей», 013.07 «Создание и освоение производства новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», и другого целевого комплекса программ по развитию двигателестроения и машиностроения.

Актуальность работы вызвана отсутствием исследований, которые позволяют определить картину напряжений сложных поверхностей с разным переменным сечением под действием рабочих нагрузок (в данном случае действие инерционных сил, сил рабочего давления газов и температуры). Отсутствует научно-обоснованная технология выравнивания этих напряжений в поверхностном слое цилиндровой втулки, направленная на повышение усталостной прочности в различных участках, в зависимости от напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки.

Цель работы и основные задачи: повышение эксплуатационной надежности цилиндровых втулок методом дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наружной поверхности с получением равномерного распределения напряжений на ней под воздействием рабочих нагрузок.

На основании изучения состояния вопроса и предварительного анализа перспективных путей повышения эксплуатационной надежности цилиндровых втулок для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать технологию упрочнения наружной поверхности цилиндровой втулки, позволяющую варьировать упрочнением поверхностного слоя в пределах 10-100 МПа.

2. Разработать модель влияния факторов эксперимента на свойства упрочненного поверхностного слоя на основе исследования напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки под влиянием инерционных сил, сил рабочего давления газов и температуры с применением метода дифференцированного гидродробеструйного упрочнения, а также выявить закономерности распределения остаточных напряжений в поверхностном слое.

3. Разработать методику проведения экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок на работающем развернутом дизеле.

4. Разработать технологический способ дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наружной поверхности цилиндровой втулки с

обоснованием технологических режимов и провести экспериментальную проверку эффективности предлагаемого метода.

5. На основе результатов исследования провести оценку повышения эксплуатационной надежности и техиико-экономическую оценку эффективности внедрения в производство.

Научная новизна:

1. Предложена и научно обоснована технология упрочнения наружной поверхности цилиндровой втулки с выбором режимов упрочнения, позволяющая на основании оценки напряженно-деформированного состояния от рабочих нагрузок активно управлять процессом гидродробеструйного упрочнения и выравнивать напряжения по сложному профилю наружной поверхности, повышая циклическую прочность и долговечность.

2. Разработано научное обоснование технологической подготовки выполнения операции дифференцированного гидродробеструйного упрочнения путем разработки:

- математической модели напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок при нагружении силами инерции;

- математической модели напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок под действием рабочего давления газов;

- методики определения температурных напряжений.

На основании разработанных математических моделей получена схема распределения напряжений по сложному профилю наружной поверхности цилиндровой втулки, необходимая для последующего применения упрочняющей технологии и повышения циклической прочности.

3. Предложен и обоснован способ дифференцированного гидродробеструйного упрочнения с проведением эксперимента при варьировании режимов обработки (время, давление жидкости, диаметр дроби), позволяющий подобрать режимы упрочнения для задания необходимой величины начальных остаточных напряжений.

Методы и средства исследований

Теоретические исследования проводились с помощью расчетно-аналитических методов, использовались положения технологии машиностроения, строительной механики стержневой системы, теории упругости, теории сопротивления материалов, теории вероятностей и математической статистики, а также методом конечных элементов на ЭВМ. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки проводились в лабораторных условиях с использованием современных измерительных средств, компьютерной технологии и обработкой результатов экспериментов статистическими методами в лаборатории ОАО «Волжский дизель им. Маминых» и научных лабораториях СГТУ им. Гагарина Ю.А.

На защиту выносятся:

1. Технология упрочнения наружной поверхности цилиндровой втулки гидродробеструйным методом, позволяющая изменять упрочнение поверхностного слоя в пределах 10-100 МПа.

2. Методика технологической подготовки выполнения операции упрочнения, разработанная на основе математических моделей определения

напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок от действия сил инерции, сил давления газов, а также температурных воздействий.

3. Способ дифференцированного гидродробеструйного упрочнепия наружной поверхности цилиндровой втулки с обоснованием рациональных технологических режимов и экспериментальная модель данного процесса.

Практическая ценность н реализация результатов работы

Разработан способ повышения эксплуатационной надежности на основе технологии упрочнения наружной поверхности цилиндровой втулки, позволяющей изменять режимы обработки на различных участках наружной поверхности дифференцированным гидродробеструйный упрочнением в соответствии со схемой распределения напряжений.

Данная технология позволяет задать начальные остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое для получения уравновешенного напряженного состояния цилиндровой втулки во время эксплуатации, что снижает образование усталостных трещин, тем самым повышая цикловую прочность и долговечность. По результатам выполненных работ, эксплуатационная надежность цилиндровых втулок по критерию долговечности увеличена на 28%.

Результаты и положения по повышению эксплуатационной надежности цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей внедрены на предприятиях ОАО «Волжский дизель им. Маминых», ООО «ПКР Дизельсервис», ОАО «Тяжмаш», специализирующихся на изготовлении и ремонте цилиндровых втулок дизелей и подобных деталей тел вращения.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 5 конференциях различного уровня:

- IV Всероссийской молодежной научно-технической конференции с международным участием «Россия молодая: передовые технологии - в промышленость!» (Омск, 2011);

- XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ- 25» (Саратов, 2012);

- Международной научно-практической конференции «Образование и наука: современное состояние и перспективы развития» (Тамбов, 2013);

- I Международной конференции «Научные аспекты инновационных исследований» (Самара, 2013);

- III Международной научно-технической конференции «Промышленность региона: проблемы и перспективы инновационного развития» (Гродно, 2013);

- ежегодной научно-технической конференции кафедры «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ имени Гагарина Ю.А. (2009 - 2013).

Публикации. В ходе работы над диссертацией опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы. Текст диссертационной работы изложен на 138 страницах, содержит 42 рисунка, 36 таблиц, список используемой литературы включает 104 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, представлены цель, задачи, научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, практическая значимость работы.

Первая глава посвящена обзору опубликованных работ по исследованию повышения эксплуатационной надежности цилиндровых втулок методами поверхностно-пластического деформирования и определения их динамической напряженности. В условиях эксплуатации поверхностный слой различных деталей подвергается наиболее сильному физико-химическому воздействию: механическому, тепловому, магнитоэлектрическому, световому, химическому и др. Под действием циклических нагрузок наблюдается потеря работоспособности деталей, причиной которой является усталость материала. Многолетний опыт эксплуатации различных конструкций убеждает в том, что качество поверхности и геометрическая форма является одним главных факторов, определяющих усталостную прочность деталей.

Упрочняющие методы поверхностно-пластического деформирования (ППД) поверхностного слоя сильно влияют на усталостную прочность деталей, так наклеп сжатием повышает усталостную прочность деталей машин до 40% в зависимости от вида пластической деформации.

Изучению процессов поверхностно-пластического деформирования (ППД) деталей посвящены работы И.В. Кудрявцева, М.А. Баптера,

A.Н. Овсеенко, Ж.А. Мрочека и Л.М. Кожуро, Б.А. Кравченко,

B.М Смелянского, А.Г. Суслова, С.С. Макаревича, A.M. Сулимы, Л.Г. Одинцова, С.П. Косырева и др. Их исследованиями доказано, что эксплуатационные свойства деталей машин достигаются упрочнением поверхностного слоя при помощи ППД и образованием до начала эксплуатации благоприятных начальных технологических остаточных напряжений. При ППД достигаемый эффект упрочнения дстатей проявляется по разному и приводит к значительному увеличению долговечности и повышению предела выносливости в коррозионно-активных средах за счет изменения микрорельефа поверхностного слоя и физико-механических свойств (предел текучести, твердость и сопротивление отрыву). Обработке ППД могут подвергаться не только все поверхности детали, но и отдельно участки концентраторов напряжений (отверстия, гантели, пазы). Однако технологические процессы ППД и механической обработки наряду с вышесказанными преимуществами создают остаточные напряжения в виде неоднородного силового поля, которые вызывают усталостные трещины и коробление.

В качестве объекта исследования рассматривались цилиндровые втулки высокофорсированного дизеля 6ЧН21/21 изготовления ОАО «Волжский дизель имени Маминых». Цилиндровая втулка изготавливается из легированного чугуна марки АХНММ по ТУ 24.06.06.043-90. Чугун обладает следующими характеристиками прочности: временное сопротивление при растяжении ов=350 МПа, твердость 217 - 285 НВ. Данный легированный чугун обладает хорошей пластичностью из-за низкого содержания фосфора, а также баланса пропорций легирующих элементов, что позволяет использовать для данного материала упрочняющую дробеструйную технологию (ППД чугуна встречается в работах П.Н.Сидуля). В конструкторской документации указаны показатели качества: ресурс втулки должен обеспечиваться на весь период эксплуатации

дизеля (20000-25000 ч) и уровень остаточных напряжений на поверхностях цилиндровой втулки не должен превышать 30...50 МПа.

Большинство известных расчетов на прочность втулок являются условными, весьма приближенными и позволяют сравнивать величины расчетных напряжений во втулках конструируемого двигателя с подобными напряжениями во втулках однотипных двигателей, работоспособность которых подтверждена эксплуатацией. Одним из направлений исследования напряженного деформированного состояния цилиндровой втулки является статическая электротензометрия, описанная в работах В.П. Иванова. В результате проведенных исследований установлено, что основным видом деформации цилиндровой втулки является изгиб. Характер и специфика распределения напряжений во втулке зависит от конструктивных отличий между исследуемыми втулками. В исследовании не учтено влияние внешних нагрузок, мест их приложения, и динамики, определяющих напряженное состояние втулок.

Из-за сложной конфигурации наружной поверхности цилиндровой втулки и неравномерного распределения динамических рабочих и остаточных напряжений, сложно определить величину остаточных напряжений в цилиндровой втулке расчетным путем, а также сложно учесть аналитически факторы, которые влияют на формирование напряженно-деформированного состояния поверхностных слоев. Обеспечение нормального функционирования деталей при эксплуатации возможно при равномерном распределении величин суммарных рабочих напряжений в их поверхностном слое. Этого можно достигнуть применением ППД с локальным воздействием на разные участки, на основании напряженно-деформированного состояния обрабатываемой детали.

Благодаря универсальности и достаточно высокой производительности обработки преимущественно наружных поверхностей различной кривизны выбрана гидродробеструйная обработка (ГДО). Отличительной ее особенностью является использование в качестве энергоносителя струи жидкости под давлением. При этом достигается снижение шероховатости в пределах одного-двух параметров, микротвердость упрочненного слоя на глубине до 0,2 мм увеличивается на 30%, в поверхностном слое образуются сжимающие остаточные напряжения. В отличие от сухой дробеструйной обработки, ГДО обеспечивает более тщательную обработку поверхности, вследствие чего применяется преимущественно для окончательной обработки.

Во второй главе разработана методика технологической подготовки дифференцированного гидродробеструйного упрочнения, заключающаяся в определении наиболее значимых внешних факторов, установлении зависимостей и составлении расчетных схем для определения рабочих напряжений и построения эпюр, от действия внешних факторов. Определены значимые внешние факторы, такие как действие сил инерции, сил давления газов и температурного воздействия, влияющие на напряженно-деформируемое состояния цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей. Технологическая подготовка состоит из этапов определения картины напряженно-деформированного состояния на основе математических моделей, необходимой для выполнения дифференцированной ГДО.

Разработана математическая модель напряженного состояния цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля от действия сил инерции на основе методов Волошина A.A., и Бутова А.У. с некоторыми дополнениями и уточнениями (рис. 1): цилиндровая втулка рассматривается как тонкостенная

цилиндрическая оболочка с постоянной толщиной стенки; опорный фланец жестко заделан по наружному диаметру цилиндровой втулки и сопряжен с упругой оболочкой на внутреннем и наружном краях (фланец «ужесточен» силовыми шпильками, затянутыми с предварительной затяжкой); сечения части фланца, расположенные снаружи окружности цилиндровой втулки, не поворачиваются, и стык между фланцем и цилиндровой втулкой не раскрывается; сечения части фланца как кольцевой пластины, расположенной внутри цилиндровой втулки, испытывают изгиб; контактная реакция О распределена по внешней кромке радиуса так как предположение о недеформируемости контура сечения фланца, расположенного снаружи окружности цилиндровой втулки, не допускает площади контакта между фланцем и цилиндровой втулкой.

Л

УФП

Он*

Y7

О 50 -100 150 200 250 300 -350 iOO

S

г

а!

5)

Рис. 1. Расчетная схема цилиндровой втулки от действия Р) основная система; б) схема деформации фланца и цилиндровой втулки

Нормальные напряжения на краю цилиндрической оболочки определяются как суммарный результат наложения величин напряжений от действия изгибающего момента на соответствующий результат от действия сил инерции [Бутов А.У.]

6-М{х)

x-Rf,

(1)

где Pj - сила инерции поступательно и вращательно движущихся масс; Rm -приведенный радиус окружности силовых шпилек; М(х) - изгибающий момент в любом сечении цилиндрической оболочки; h - толщина цилиндрической оболочки.

Под действием осевой растягивающей нагрузки возникает изгибающий момент в зоне перехода цилиндрической оболочки и фланца, образуя зону

локализированных дополнительных напряжений. При этом неравномерность распределения напряжений по сечениям изменяется от -39,3 до +3,9 МПа.

Далее разработана математическая модель напряженного состояния цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля под действием сил давления газов. Под действием сжимающей нагрузки РСж цилиндровая втулка и, в частности, ее галтель находятся в сложном напряженном состоянии. С одной стороны, цилиндровая втулка как оболочка вращения подвергается осевому сжатию от сил давления газов. С другой стороны, на фланец цилиндровой втулки воздействует контактное давление от затяжки силовых шпилек. Вся система нагружена, как показано на рис. 2.

Он

6

/.

/

&

Рис. 2. Расчетная схема цилиндровой втулки от действия Рак основная система; б) схема деформации фланца и цилиндровой втулки

Практика эксплуатации таких фланцевых соединений показывает, что нарушение целостности детали вызвано не разрушением фланца, а усталостными трещинами и деформациями деталей соединения, превышающими предельно допустимые значения, определяемые условиями совместной работы фланца цилиндровой втулки, силовых шпилек и прокладки. В рассматриваемой упрощенной схеме используются следующие условия и допущения: цилиндровая втулка представлена как тонкостенная оболочка вращения; цилиндровая втулка подвергается осевому сжатию Рок, которое при местной потере устойчивости вызывает изгиб оболочки в пределах малых участков, а максимальные напряжения в сжато-изогнутой втулке не достигают предела текучести; фланец рассматривается как балка на упругом основании; угол наклона фланца в месте соединения со стенкой цилиндровой оболочки равен нулю (жесткое соединение); при действии осевой сжимающей нагрузки в затянутом стыке фланцевого соединения цилиндровой втулки имеет место малая величина «отгиба» фланца.

Нормальные напряжения на краю цилиндровой втулки определяются как суммарный результат наложения от действия изгибающего момента на

соответствующий результат от действия силы давления газов, однако «сила Рсж в этом случае считается отрицательной» [Биргер И.А.]: , . Рсж 6-М(х)

а<х)=1П$-+1ЛГг—т- (2)

где Рсж - осевое сжатие, вызванное давлением газов; - толщина прокладки; Пц(1) - средний радиус цилиндрической оболочки. Неравномерность распределения напряжений по сечениям изменяется от+27,19 МПа до -10,9 МПа.

Цилиндровая втулка по время работы двигателя подвергается значительным механическим и тепловым воздействиям от давления газов, а также от неравномерного температурного поля, переменного по высоте, окружности и толщине. С форсированием двигателей и увеличением размеров их деталей при конструировании возникает ряд сложных задач, связанных со снижением температурных напряжений и уменьшением искажения геометрии втулок от тепловых воздействий. Наиболее сложную часть комплексного расчетно-экспериментального исследования напряженного состояния цилиндровой втулки представляет собой определение величины и характера температурных напряжений, поэтому для решения этой задачи разработана . методика экспериментального определения температур в доступных точках на работающем дизеле. При расчете температурных напряжений введем следующие допущения: цилиндровую втулку считаем тонкостенной цилиндровой оболочкой, свободной от внешних сил давления газов (Рем) и инерционных полагаем, что по толщине цилиндровой втулки температура меняется по линейному закону; при длительной эксплуатации на дизеле цилиндровая втулка работает в области термоупругого цикла нагружения, и уровень температур не оказывает существенного влияния на физико-механические свойства материала; цилиндровая втулка нагревается неравномерно как по длине, так и по толщине.

Так как между внутренней и наружной поверхностями втулки возникает существенный перепад температур, следствием последнего являются температурные напряжения, определяемые зависимостью [Давыдов Г.А.]:

2-{\-М)

где Е - модуль упругости материала; а„ = 11-10й 1/град. - коэффициент линейного расширения для чугуна; ¡л - 0,3 - коэффициент Пуассона для чугуна;

перепад температур между внутренней и наружной сторонами цилиндровой втулки, который должен выбираться на основе экспериментальных данных.

Температура на наружной поверхности втулки равна температуре охлаждающей жидкости (~90°С), экспериментально определили температуру на внутренней поверхности цилиндровой втулки, для этого в цилиндровую втулку были установлены пять хромель-копелевых термопар на глубину 1,3 мм от внутренней поверхности и получены следующие выводы:

1. Температурное поле цилиндровой втулки неравномерно по внутренней поверхности (температура изменяется от 90° до 135°С).

2. Максимальный перепад температур по высоте втулки составляет 45°С;

3. Максимальная температура (+135°С) имеет место в зоне перехода от опорного фланца к стенке цилиндровой втулки.

4. Предложенная расчетно-экспериментальная методика позволяет с достаточной для первого приближения точностью определить уровень

ъ=±-г-г.-"Ьх. (3)

температуры и напряжений в цилиндровой втулке на стадии проектирования высокофорсированного дизеля.

Затем рассмотрена методика расчета дополнительных напряжений цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля от внутреннего давления. Вследствие поверхностной нагрузки, вызванной внутренним давлением, в камере возникают напряжения в цилиндровой втулке. Неравномерность распределения напряжений по сечениям изменяется от +8,5 до -4,2 МПа, значения гораздо ниже по сравнению с воздействием сил инерции и давления газов и их воздействие учитываются при определении суммарных рабочих напряжений.

Для идеализации реального нагружения в процессе работы проведен анализ напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки методом конечных элементов (МКЭ). В работе рассматривается подход известного метода перемещения, который состоит из разбиения тела на конечные элементы и назначения узлов, определяющих перемещение, а также определения зависимостей между перемещениями и усилиями в этих узлах и определения напряженно-деформированного состояния тела. Расчет выполнен в комплексной программе SolidWorks в модуле SolidWorks Simulation.

Оценка напряженного состояния проводится по гипотезе формоизменения Рихарда фон Мизеса:

где а„ (ту, а, - главные напряжения в рассматриваемой точке тела.

На рис. 3 показаны эквивалентные напряжения в выборочных точках по высоте цилиндровой втулки от действия сил инерции (129,5 кН), а также поле повышенных напряжений по галтелям. Для понимания распространения поля напряжений были отсечены напряжения, значения которых меньше 7,5 МПа (рис. 3 справа). Максимальное значение напряжений 21,8 МПа наблюдается в галтели опорного бурта, в остальных галтелях значения напряжений ниже, но и они могут стать причиной зарождения усталостных трещин.

По вышеприведенному принципу был проведен расчет напряжений цилиндровой втулки от действия сил давления газа Рсж (307 кН). Результаты эквивалентных напряжений показаны на рис. 4. По сравнению с предыдущей схемой возросли значения напряжения на внутренней поверхности цилиндровой втулки с 0,5 МПа до 8,3 МПа и по галтелям в рассматриваемых точках в среднем в 1,5 раза. Максимальное значение напряжений равное 27,8 МПа также выявлено в галтели опорного бурта.

Результат расчета напряжений, вызванных внутренним давлением (р=15 кПа), подтверждает скопление напряжений в галтельных зонах опорного бурта, посадочного и уплотняющего пояска. Величина эквивалентных напряжений не превышает 8,6 МПа.

По полученным ранее значениям температуры на поверхностях цилиндровой втулки была построена модель напряженного состояния цилиндровой втулки от воздействия температуры. Ввиду того, что на наружную поверхность воздействует охлаждающая жидкость, величина напряжения (43 МПа) на ней ниже по сравнению с внутренней поверхностью (136,5 МПа). Максимальные значения напряжений (194,3 МПа) возникают в галтельной зоне опорного бурта из-за отсутствия его охлаждения и низкого теплоотведения.

(4)

Рис. 3. Расчетные эквивалентные напряжения в цилиндровой втулке дизеля 6ЧН 21/21 от силы инерции

Рис. 4. Расчетные эквивалентные напряжения в цилиндровой втулке дизеля 6ЧН 21/21 от силы давления газов

Для оценки виброударного нагружения цилиндровой втулки при гидродробеструйной обработке использовались образцы-свидетели, изготовленные из материала втулки. Мера интенсивности и стабильность процесса ГДО определяется по статической стреле прогиба пластины.

Установлена связь показателей вибрационного нагружения при ГДО с конструктивными параметрами образца-свидетеля через коэффициент динамичности нагрузки Кд. Начальные остаточные напряжения образца-свидетеля в радиусной зоне определяются по формуле

где Е - модуль упругости; Н - толщина элемента; у„ - амплитуда динамического прогиба образца-свидетеля в точке приложения силы; R -радиус; h - ширина пластически деформированного слоя.

Например, при исходных данных формулы (5), для жестко защемленной радиусной пластины галтельной зоны цилиндровой втулки дизеля 6ЧН21/21, получим при h = 2,73'10'4 м, Н = 210"3 м, R = 2-Ю"3 м, у0 = 3,710"4 м: начальные остаточные напряжения а°„=-192 МПа; коэффициент динамичности нагрузки Кд - 1,21; концентрацию напряжений а„ = 1,5.

В третьей главе рассмотрены методика экспериментальных исследований и ее результаты по определению напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки на работающем дизеле в производственных условиях.

Методика экспериментальных исследований напряженного состояния цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей учитывает решение следующих вопросов: определение величины и характера изменения динамических нагрузок, действующих на цилиндро-поршневую группу дизелей в процессе их работы; установление общего характера неравномерности распределения динамических напряжений в элементах цилиндровых втулок с выявлением наиболее деформируемых сечений; оценку точности экспериментов.

Основным методом исследования напряженного состояния цилиндровых втулок в производственных условиях является электротензометрия на развернутом дизеле. Развернутый дизель - это стенд с применением реального рабочего дизеля и комплекса аппаратуры.

При исследованиях цилиндровых втулок использовалась стандартная методика тензометрирования. При тензометрировании применены общеизвестные тензодатчики типа ПКБ-10-100 с коэффициентом тензочувствительности К = 2.03 - 2.11. При этом предел измерения относительной деформации тензодатчиков составляет ±3'10"3 при рабочей температуре от 243 до 343°К.

Схема наклейки датчиков выбрана с целью получения наиболее четкой и реальной картины распределения напряжений в исследуемой цилиндровой втулке. Тензодатчики наклеены таким образом, что их продольные оси строго ориентированы в направлении замеряемой деформации. Для исключения возникновения температурной деформации, при нагружении цилиндровой втулки, были наклеены компенсационные тензодатчики на металлические пластины, закрепляемые клеем К-88 в непосредственной близости от рабочих тензодатчиков и параллельно их оси.

Исследования напряженного состояния цилиндровой втулки (динамических напряжений) дизеля 6ЧН21/21 проводились в экспериментальной лаборатории ОАО «Волжский дизель им. Маминых».

0

а

хх

\,2R2-h '

(5)

Экспериментальную втулку с наклеенными тензодатчиками устанавливали на дизель 6ЧН21/21 со следующими зазорами между сопряженными деталями: поршнем и цилиндром МО"5 м, поршневой и кривошипной головках -соответственно 1210"Л и 1810"5 м, что имеет место при монтаже и эксплуатации данных типов дизелей.

Результаты записей динамических напряжений от действия суммарных сжимающих сил и сил инерции при работе дизеля, в местах расположения тензодатчиков, представлены в виде осциллограмм для одного режима двигателя (рис. 5-6).

Значение относительной погрешности результатов экспериментов не превышает 8,6% и удовлетворяет литературным данным (10-15%).

В четвертой главе предложен технологический метод дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наружной поверхности цилиндровой втулки. Рассмотрены этапы построения эпюр величин рабочих напряжений, эпюр величин результирующих напряжений и определение режимов упрочнения на основе проведенной технологической подготовки. Для получения заданных значений начальных остаточных напряжений в поверхностном слое на установке ГДУ-5 (рис. 7) программируются частота вращения цилиндровой втулки, скорость продольного перемещения, изменение технологического параметра потока шариков для обработки поверхностей цилиндровой втулки в функции времени.

Рис. 7. Схема дифференцированного ГДУ и установка ГДУ-5 Установка ГДУ-5 состоит из рабочей камеры (на схеме не показана), оси привода вращения поз. 2, которая имеет движение \У и на нее устанавливается цилиндровая втулка поз. 1, дробеструйного пистолета поз. 3, который перемещается по осям X, У и может меняться при необходимости угол атаки ш при повороте от манипулятора 4. В программе для выявленных зон устанавливается значение времени г поверхностно-деформируемых участков цилиндровой втулки по реле как функция перемещения по X и У.

На основании теоретических расчетов главы 2 и экспериментальных исследований по главе 3 была построена эпюра средних рабочих динамических напряжений сттрао(рис. 8, а).

Для цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля характерной является неравномерность распределения рабочих динамических напряжений на

разных участках наружной поверхности. Отрицательным фактором является неоптимальное распределение остаточных напряжений после механической обработки на поверхностном слое цилиндровой втулки по разным участкам. Для получения равномерного распределения сжимающих остаточных напряжений по наружной поверхности цилиндровой втулки была получена зависимость величины сжимающих остаточных напряжений от зоны воздействия гидродробеструйного упрочнения (табл. 1, рис. 8, б). Выравнивание отталкивалось от максимального значения напряжения сжатия (-28,09 МПа).

Таблица 1 - Зависимость дифференцированного упрочнения

№ зоны Зона воздействия Величина остаточных напряжений

1 (0 ... 0,025) ' Ь вя = -(0,1 ...0,23)'ао.2

2 (0,025 ...0,12) (1 ои = -(0,02 ... 0,06) ' стог

3 (0,12 ... 0,61) • Ь о** = -(0,1 ... 0,14) • сто.2

4 (0,61 ...0,75) -Ь «к = -(0,1 ... 0,14) • Оо.2

5 (0,75 ... 1) • Ь с» = -(0,05 ... 0,1) ■ ао.2

Здесь сгхх - остаточные сжимающие напряжения;

сто.2 — предел текучести материала цилиндровой втулки;

Ь - высота цилиндровой втулки.

Результирующие напряжения анрез определяются по формуле (6). Результаты расчета результирующих напряжений о„рез представлены в виде эпюры (рис. 8, в).

а„рез = <зтраб+ схх, (6)

Степень равномерности колеблется в пределах заданных условий ±10 МПа согласно конструкторской документации (30...50 МПа)

В общем случае вышеизложенный метод определения уровня остаточных напряжений для дифференцированного гидродробеструйного упрочнения состоит из следующих этапов (рис. 8):

а) разделение поверхности цилиндровой втулки на характерные зоны;

б) построение эпюры средних рабочих динамических напряжений 0трао, выполненной на основе расчетно-экспериментальных исследований;

в) определение эпюры упрочняющих остаточных напряжений сжатия ахх в цилиндровой втулке после их взаимодействия с рабочими динамическими напряжениями в различных сечениях конструкций;

г) определение эпюры результирующих онрез напряжений после упрочнения цилиндровой втулки дизеля 6ЧН 21/21.

Картина равномерного распределения результирующих напряжений получается за счет упрочнения зон только с растягивающими напряжениями в пределах установленных значений остаточных напряжений.

При дифференцированном гидродробеструйном упрочнении на начальные остаточные напряжения оказывают такие технологические факторы, как время упрочнения Т, давление жидкости Рж в установке ГДУ-5, диаметр упрочняющего шарика Дш. Проведен анализ влияния данных показателей режима упрочнения на начальные остаточные напряжения. Начальные остаточные напряжения в поверхностном слое цилиндровой втулки контролировались с помощью прибора «81ге55сап-500».

Рис. 8. Распределение характерных зон и эпюры средних рабочих динамических (а), остаточных (б) и результирующих напряжений (в)

На основании проведенного анализа была рассмотрена многофакторная система - технологический процесс поверхностно-пластического деформирования на основе ГДУ цилиндровых втулок, используя метод планирования постановки полного многофакторного эксперимента. Получена регрессионная модель (7) с проверкой по критерию Фишера:

0.626 0.6 -0.037 -0.515 0.102 0.037

^=46.487 РЖДШ (■ТРЖ) (РЖДШ) (ТДШ) (Т)

Полученная математическая модель в результате эксперимента адекватна опытным данным и способна предсказать значение начальных остаточных напряжений сжатия. Для упрощения использования данной модели представлена таблица с рекомендуемыми режимами упрочнения.

В пятой главе рассмотрены результаты повышения эксплуатационной надежности цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей методом дифференцированного гидродробеструйного упрочнения. Проведена оценка эксплуатационной надежности цилиндровой втулки по сроку службы: наработка Т = 29150 ч, что соответствует ресурсу дизеля 6ЧН 21/21 (20 000-25 000 ч) до капитального ремонта. Оценка эксплуатационной надежности по сроку службы сведена до инженерной точности расчета и позволяет прогнозировать долговечность цилиндровых втулок при эксплуатации. Также проведена оценка повышения эксплуатационной надежности по критерию «ограниченная выносливость» ГОСТ 25.504-82, которая оценивается коэффициентом влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости Ку По результатам испытания образцов на усталость можно судить о том, что применение гидродробеструйного упрочнения поверхностного слоя повышает эксплуатационную надежность по критерию коэффициента влияния поверхностного упрочнения до 28%: 1,28.

Приведено технико-экономическое обоснование от внедрения технологического метода дифференцированного гидродробеструйного упрочнения цилиндровых втулок и рассчитан годовой экономический эффект, который составил 970 952,5 руб.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Решена научно-техническая задача, связанная с повышением надежности цилиндровых втулок технологическим методом гидродробеструйного упрочнения в условиях форсирования дизелей по параметрам частоты вращения и термодинамического цикла коленчатого вала. Технология гидродробеструйного упрочнения позволяет задавать начальные остаточные напряжений сжатия в отдельных участках цилиндровой втулки.

2. Разработана технология упрочнения наружной поверхности цилиндровой втулки, позволяющая варьировать упрочнением поверхностного слоя в пределах 10-100 МПа, обеспечивая равномерное распределение напряжений в поверхностном слое, влияющее на цикловую прочность.

3. Разработана методика технологической подготовки дифференцированного гидродробеструйного упрочнения. Созданы математические модели напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки от действия сил инерции, под действием рабочего давления газов и их тепловом воздействии, что позволило получить картину напряжений от каждого фактора и выявить зоны с повышенной концентрацией напряжений.

4. Разработана методика проведения экспериментальных исследований напряженного состояния цилиндровых втулок на работающих высокофорсированных дизелях с использованием тензометрирования и термометрирования. Получены и проанализированы осциллограммы динамических напряжений по каждому режиму дизеля, установлен характер неравномерности распределения динамических напряжений по наружной поверхности втулки, оценена относительная суммарная погрешность измерений не превышающая 10%.

5. На основе оценки динамически напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки разработан технологический способ дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наружной поверхности, который снижает в 3-4 раза неравномерное распределение результирующих напряжений и повышает равнопрочность элементов втулки при циклическом нагружении конструкции.

6. Разработана регрессионная модель зависимости начальных остаточных напряжений от режимов упрочнения (времени, давления жидкости и размера дроби) с проверкой адекватности.

7. Внедрение технологии дифференцированного гидродробеструйного упрочнения в серийное производство (на примере ОАО «Волжский дизель им. Маминых») создает годовой экономический эффект в размере 970 952,5 руб.

Содержание диссертации изложено в следующих работах:

В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Синчурин Д.В. Метод снижения концентрации напряжений в цилиндровой втулке в условиях поверхностного пластического деформирования / Д.В. Синчурин, С.П. Косырев // Вестник Саратовского государственного технического университета. -2013. - № 2 (71). - С. 165-168.

2. Сиичурин Д.В. Влияние действия сил инерции на расчет напряженного состояния цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля / Д.В. Сиичурин // Тяжелое машиностроение. - 2013. -№ 11-12. - С. 41-43.

3. Сннчурин Д.В. Моделирование процесса напряженного состояния цилиндровых втулок от действия сил давления газов методом конечных элементов / Д.В. Синчурин // Вестник Саратовского государственного технического университета -2013.-№2(70). -С. 112-116.

В других изданиях

4. Синчурин Д.В. Анализ методов повышения эксплуатационной надежности цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей / Д.В. Синчурин // Новый университет: научный журнал. - Йошкар-Ола, 2011. - № 4. - С. 30-33.

5. Синчурин Д.В. Оценка развития методов и средств для определения напряженного состояния цилиндровых втулок / Д.В.Синчурин, Н.Л.Марьина // Россия молодая: передовые технологии в промышленность: сб. ст. IV Всерос. молодеж. науч.-техн. конф. с междунар. участием.. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011. - С. 125-127.

6. Синчурин Д.В. Анализ безотходных технологических методов повышения работоспособности цилиндровых втулок / Д.В. Синчурин, Н.Л. Марьина // Математические методы в технике и технологиях ММТТ - 25: сб. тр. XXV Междунар. науч. конф. - Саратов, 2012. - С. 36-38.

7. Синчурин Д.В. Анализ влияния внутреннего давления на напряженное состояние цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля / Д.В. Синчурин // Образование и наука: современное состояние и перспективы развития: сб. науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов, 2013. - С. 121-122.

8. Синчурин Д.В. Исследование температурных напряжений цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля / Д.В. Синчурин, С.П. Косырев // Научные аспекты инновационных исследований: сб. тр.'1 Междунар. конф. - Самара, 2013 -С. 18-21.

9. Синчурин Д.В. Задачи экспериментальных исследований динамической прочности цилиндровых втулок / Д.В. Синчурин, С.П. Косырев // Промышленность региона: проблемы и перспективы инновационного развития: сб. тр. П1 Междунар. науч.-техн. конф. - Гродно, 2013. - С. 117-119.

10. Синчурин Д.В. Оценка точности экспериментов и погрешности измерении цилиндровых втулок / Д.В.Синчурин, С.П.Косырев // Новые материалы и технологии в машиностроении: сб. тр. XVII Междунар. науч.-техн. конф. - Брянск : БГИТА, 2013 -Вып. 17.-С. 91-94.

Подписано в печать 15.09.14 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж ЮОэкз. Заказ 138 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70, 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru