автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Повышение надежности стале-алюминиевых вкладышей дизелей тепловозов

1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ С

АЛЮМИНИЕВЫМИ СПЛАВАМИ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ. 4 1.1. Краткие сведения о применении различных антифрикционных сплавов для подшипников дизелей тепловозов.

1.2. Результаты эксплуатации стале-алюминиевых подшипников.

1.3. Особенности использования и способы повышения работоспособности подшипников в ремонтной практике.

6.2. Принцип выбора оптимального шага рельефа.95

6.3. Экспериментальные значения параметров профилей.97

6.4. Частный случай.101

6.5. Сравнение с данными теории пластичности.103

6.6. Заключение.107

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.108

Литература.111

Приложение 1.118

Приложение 2.125

Приложение 3.126

Приложение 4.127

ВВЕДЕНИЕ

Недостаточный ресурс работы вкладышей коленчатого вала дизелей тепловозов при изготовлении с индивидуальной заливкой баббитом или свинцовистой бронзой обусловил необходимость широкого использования экономичных биметаллических вкладышей с алюминиево-оловянным сплавом, штампованных из биметалла, полученного прокаткой или сваркой взрывом. Итоги эксплуатации дизелей с такими подшипниками в целом положительны. В дизелях 1 ОД 100 тепловозов 2ТЭ10, составляющих основную часть парка, ресурс их работы в 3-4 раза выше, чем у стале-бронзовых и бронзо-баббитовых. В то же время приходится учитывать более высокую чувствительность алюминиевых сплавов к погрешностям изготовления, сборки и эксплуатации и в связи с этим корректировать технологические нормы при их изготовлении, режимы обкатки дизелей, и больше внимания уделять выполнению принятых правил эксплуатации.

В настоящее время дизели заводского изготовления со стале-алюминиевыми вкладышами после пробега до 1,2 млн. км поступают в капитальный ремонт. При этом ухудшилось качество изготовления деталей и сборки машин, и достаточно острой стала проблема поиска способов повышения задиростойкости подшипников. В данной работе рассматривается возможность решения этой проблемы за счёт использования нового антифрикционного сплава. Приведены результаты оценки свойств сплава и биметалла с ним, отработки технологии непрерывного литья, данные стендовых и эксплуатационных испытаний вкладышей, а также предложены упрощённый метод расчёта посадки вкладышей в постель при сборке и способ выбора параметров накатки рельефа для восстановления толщины изношенных вкладышей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Проблема повышения надежности биметаллических подшипников с алюминиевыми сплавами для дизелей тепловозов приобрела актуальное значение в связи с эксплуатацией большого количества таких двигателей. Кроме того, нарастает применение стале-алюминиевых вкладышей дизелей тепловозов при капитальном, а иногда и при текущем ремонте. При высоких, в целом, служебных характеристиках таких подшипников, эксплуатация выявила их повышенную чувствительность к нарушениям геометрии, чистоты обработки и отклонений от норм в режимах их эксплуатации по сравнению с бронзо-баббитовыми вкладышами. В связи с этим возникла необходимость в определении путей повышения надежности подшипников с алюминиевыми сплавами. Одновременно, с учётом необходимости экономии материальных ресурсов, рассмотрена возможность восстановления изношенных вкладышей, поскольку они обладают определенным запасом усталостной прочности.

В итоге работы можно сделать следующие выводы:

1. Подведены итоги более чем 10-летней эксплуатации биметаллических подшипников дизелей 1 ОД 100 и других с алюминиевым сплавом А020-1. Такие подшипники при изготовлении и сборке на тепловозостроительных заводах способны обеспечить безремонтную эксплуатацию. Однако широкое их использование в ремонтной практике, где количество нарушений качества изготовления, сборки и неблагоприятных режимов работы при обкаточных испытаниях больше, чем на тепловозостроительных заводах, потребовало повышения задиростойкости без снижения прочностных характеристик.

2. Комплекс лабораторных испытаний выявил высокое качество нового антифрикционного сплава АОЮС2, содержащего наряду с оловом свинец и ряд легирующих элементов (медь, кремний, цинк). По сравнению со сплавом А020-1, он при вдвое меньшем содержании олова обладает более высокой задиростойкостью, износостойкостью и живучестью в аварийных условиях при примерно равных прочностных характеристик.

3. Дано объяснение более высоким показателям совместимости нового сплава. Термическим и микрорентгеноспектральным анализами выявлена двухфазная структура легкоплавкой составляющей сплава, первичные дендриты на основе олова и эвтектика Sn-Pb-Zn. Первая фаза содержит 0,20,3% А1 , до 0,1% Si и имеет температуру плавления 214°С. Вторая фаза содержит 83-84% РЬ, 14-16%) Sn и до 1% Zn. Температура плавления этой фазы 167-170°С. У сплавов, имеющих такое строение мягкой фазы, облегчается образование защитной пленки на поверхностях трения, предохраняющей от схватывания и задира поверхности вала с алюминиевой матрицей сплава. К тому же сама алюминиевая матрица нового сплава упрочнена кремнием, медью и цинком.

4. Проведены опыты, исследования и изучены совместно с Тамбовским заводом подшипников скольжения причины образования горячих трещин при непрерывной разаливке сплава АОЮС2 и растрескивания при прокатке. Установлено влияние добавок кремния и цинка и определены пределы их содержания. Определено влияние давления и температуры воды, неравномерности охлаждения и др. факторов, определяющих процесс кристаллизации сплава. Проведенные работы позволили увеличить выход годного в производстве заготовок из сплава АОЮС2 с 50% до 95%.

5. Стендовые испытания сплава АОС2 проведены на Заволжском моторном заводе на инерционной усталостной машине. Вкладыши были изготовлены также на Заволжском моторном заводе. В сравнении со сплавом А020-1 задиростойкость опытных вкладышей была на 35,5% выше. Усталостная прочность также была выше и составила 575 кг/см .

6. Стендовые испытания на Минском моторном заводе проводили на тракторном дизеле Д-240. В качестве сравнительного варианта был выбран сплава А06-1 со свинцовооловянным гальваническим покрытием. Опытные вкладыши выдержали большую нагрузку и показали высокую задиростойкость.

7. Получены положительные результаты эксплуатационных испытаний опытных подшипников на дизелях тракторов Минского моторного завода и дизель поезда на Московской железной дороге. По результатам испытаний Минский выпустил 3000 двигателей с подшипниками со сплавом АОЮС2 и заказал вкладышей на 10.000 мотокомплектов. В настоящее время такими вкладышами оборудуются дизели 5Д49 на Воронежском ТРЗ.

8. Разработана упрощённая методика расчета посадки вкладышей и выполнены расчеты для ряда дизелей тепловозов.

9. Предложен простой способ расчета оптимального расстояния между канавками, выполняемымии специальным накатным инструментом для выдавливания металла с целью восстановления изношенных вкладышей.

10. Проведенная работа получила достаточно широкую реализацию. Создан участок по изготовлению заготовок из сплава АОЮС2 на Тамбовском заводе. Минский моторный завод после широкого использования подшипников в настоящее время обсуждает возможность полного перехода на новый сплав взамен сплава АОб-1. Расширяется опытная эксплуатация вкладышей с новым сплавом в дизелях тепловозов.

11. Экономический эффект от использования нового сплава составит при частичном переходе на новый сплав вместо А020-1 для железнодорожных дизелей около 0,1 млн. руб. в год на 42000 вкладышей, а для тракторных - при годовой программе 20 млн. вкладышей - 3,4 млн руб. в год (см. приложение 4).

6.6. Заключение.

Предлагаемый способ определения параметров рельефа, имеющего вид системы канавок, выдавленных индентором на поверхности подшипника, позволяет с минимальными затратами произвести настройку оборудования перед восстановлением изношенных вкладышей для получения наибольшей износостойкости восстановленного слоя.

При выборе индентора для нанесения канавок необходимо учитывать опасность перенаклёпа металла при работе закреплённым индентором и большой глубине канавки. Так, при нанесении рельефа на биметалл сталь -сплав А020 коническим индентором с углом 2у = 90° и с закруглённой вершиной наблюдались поперечные трещины на дне канавки, в то время как при сферическом инденторе или коническом с угом 2у = 120° трещин не наблюдалось.

Данным способом были восстановлены 20 шатунных стале-алюминиевых вкладышей. Вибронакатку поверхности рабочего слоя производили на токарном станке закреплённым на рычаге шариком диаметром 3,2 мм, поджатым пружиной с усилием 52 кгс, при частоте вращения шпинделя 11,2 мин"1 , частоте вибратора 1350 мин"1, амплитуде колебаний шарика 0,7 мм и подаче 2 мм/об. с предварительным нанесением слоя масла «Индустриальное -20». Полученный рельеф в виде синусоидальной винтовой канавки с валиками по её краям заполнили полимерным антифрикционным покрытием (суспензия АСП ТУ 1-101-018-98) с последующей полимеризацией при 200°С, 2 ч. Суспензия представляет собой взвесь M0S2 в растворе эпоксифенольного связующего.

Испытания вкладышей проведены в локомотивном депо Сольвычегодск. В дизеле 1 ОД 100 №1100 БР один опытный подшипник в течение февраля -сентября 1999 г. до ТО-3 №1 отработал нормально (пробег - 102 тыс. км).

1.Буше Н. А. Исследование антифрикционных сплавов подшипников подвижного состава. // Тр. ЦНИИ МПС, вып. 112. М.: Гос. трансп. железнодорожное изд-во, 1956, 174 с.

2. Хрущов М.М., Курицына А.Д. Исследование изменений в строении рабочей поверхности баббита в процессе трения и изнашивания. // В кн.: Трение и износ в машинах. М. JL: Изд-во АН СССР, 1950, №5.

3. Буше Н. А. Подшипниковые сплавы для подвижного состава. М., «Транспорт», 1967. 222 с.

4. Захаров С. М., Никитин А. П., Загорянский Ю. А. Подшипники коленчатых валов тепловозных дизелей. М. "Транспорт", 1981. 181 с.

5. Буше Н. А., Копытько В. В. Совместимость трущихся поверхностей. М.: Наука, 1981. 127 с.

6. Хрущов М. М. Влияние толщины слоя баббита, залитого по стали, на его усталостную прочность. В сб. статей "Вопросы машиноведения", посвященном 60-летию акад. Е. А. Чудакова. М.: Изд. АН СССР, 1951.

7. Алексеев Н. М. Вдавливание сферического индентора в бесконечно протяжённый слой пластичного металла ограниченной толщины. В кн. Контактное взаимодействие твёрдых тел и расчёт сил трения и износа. М.: Наука, 1970.

8. Буше Н. А. Современные алюминиевые антифрикционные сплавы. // Вестник машиностроения, 1964, №8, с. 40 44.

9. Кобылянский Г.И., Андреевский П.А., Ромашко В.О., Никитин М.Д., Андреев А. С. Алюминиевый антифрикционный сплав АН-2,5. // Автотракторное дело, 1940, №4.

10. Кестнер О.Е. Алюминиевые подшипниковые сплавы для авиационных моторов. // Всесоюзная конференция по трению и износу в машинах, т. 1. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1939, с. 223 239.

11. Алюминиевые сплавы для подшипников и их применение. Сб. статей под ред. проф. М. М. Хрущова. М.: Изд-во АН СССР, 1954.

12. Norman F., Woldman Н. Characteristics of Aluminium Bearings. "Iron Age",1946, v. 158, № 11, p. 60-64.

13. Hunsicker H. I., Kempf Z. W. Aluminium alloys for high duty engine bearings. " Diesel Power and Diesel Transportation", 1946, v. 24, №7.

14. Wood D. B. Aluminium alloys bearings in diesel engines. "British Motor Ship",1947, v. 28, № 332, p. 234 235.

15. EllwoodE. C. Aluminium-tin bearings. "Materials and Methods", 1957, June, v. 45, №6, p. 110.

16. Campbell Y. The development and testing of engine bearings. "IAAE Journal", 1964, v. 24, №11-12, p. 182-193.

17. Джордж С. Пратт. Подшипниковые сплавы для двигателей внутреннего сгорания. // В кн.: Трибология. Исследования и приложения. Опыт США и стран СНГ. М.: Машиностроение, 1993, 452 с. (с. 312 330).

18. Петровский В. И. Высокооловянистые сталеалюминиевые подшипники скольжения. // Автомобильная промышленность, 1964, № 9.

19. Pratt G. G. New developments in bearing materials. "SAE Preprints", International Autom. Engng Congress, Jan. 13 17, 1969, № 690112.

20. Буше H. А., Гуляев А. С., Двоскина В. А., Раков К. M. Подшипники из алюминиевых сплавов. М. "Транспорт". 1974. 256 с.

21. Рудницкий Н. М. Материалы автотракторных подшипников скольжения. М.: Машиностроение, 1965, 163 с.

22. Петриченко В. К. Антифрикционные материалы и подшипники скольжения. М.: Машгиз, 1954.

23. Туник А. А. Новый антифрикционный сплав на алюминиевой основе. ИТЭИН АН СССР, М, 1966, 8 с.

24. Бабаев Н. К., Загорянский Ю. А., Нарских И. И., Перельман Д. Я., Савельев В. Ф. Применение алюминиевых сплавов в подшипниках тепловозных двигателей. Ташкент: Узбекистан, 1966, 200 с.

25. Бабаев Н. К. Опыт эксплуатации алюминиевых вкладышей двигателей тепловозов серии ТЭЗ. // Вестник ЦНИИ МПС, 1960, №5, с. 52-56.

26. Раков К. М., Буше Н. А., Гуляев А. С. Новые биметаллы для подшипников. М.: Транспорт, 1967, 41 с.

27. Курицына А. Д., Хрущов М. М. Современные подшипниковые сплавы на алюминиевой основе. В кн.: Алюминиевые сплавы для подшипников и их применение. М.: Изд. АН СССР, 1954, с. 14-23.

28. Трыков Ю. И. и др. Особенности изготовления изделий из сваренных взрывом слоистых композиционных материалов. В сб. тр. ВОЛГЛИ "Сварка взрывом сварных соединений". 1985, с. 100-109.

29. Буше Н. А., Двоскина В. А., Торопчинов А. Н. Оценка свойств подшипниковых сплавов при работе на различных маслах с чугунными и стальными роликами (цапфами). Тр. ВНИИЖТ, вып 277, М.: Транспорт, 1964.

30. Волченков А. В., Буше Н. А. Трибологические принципы назначения режимов обкаточных испытаний двигателей. // Трение и износ, т. 12, 1991, №3, с. 506-514.

31. Сплав для подшипников на основе алюминия и способ изготовления биметаллической заготовки для пошипников из этого сплава. Патент РФ № 2087577 (20.08.97).

32. Семёнов А. П. Схватывание металлов. М.: Машгиз, 1958. 280 с.

33. Семёнов А. П. Методика исследования схватывания (адгезии) и противозадирных свойств подшипниковых материалов. // В сб. Методы испытания и оценки служебных свойств материалов для подшипников скольжения. М.: Наука, 1972, с.47 53.

34. Семёнов А. П. Схватывание металлов и методы его предотвращения при трении. // Трение и износ, 1980, т.1, №2,с. 236 246.

35. Айнбиндер С. Б. Холодная сварка металлов. М.: Изд-во АН СССР, 1957, 163 с.

36. Астров Е. И. Плакированные многослойные металлы. М.: Металлургия, 1965. 239 с.

37. Костецкий Б. И., Колесниченко Н.Ф. Качество поверхности и трение в машинах. Киев.: Техника. 1969. 216 с.

38. Каракозов Э. С. Соединение металлов в твёрдой фазе. М.: Металлургия, 1976. 263 с.

39. Захаров С. М., Сиротенко И. В., Жаров И. А. Моделирование работы трибосистемы "коленчатый вал подшипники - опоры блока цилиндров" двигателей внутреннего сгорания. // Трение и износ, 1995, т. 16, № 1, с. 47 -54.

40. Захаров С. М., Жаров И. А. Трибологические критерии оценки работоспособности подшипников скольжения коленчатых валов ДВС. // Трение и износ, 1988, т. 17, № 5.

41. Крагельский И. В. Трение и износ. М., «Машиностроение», 1962. 383 с.

42. Шумицкий А. В. Формирование приработочных слоев биметаллических вкладышей дизелей тепловозов. Дисс. к.т.н. Москва, ВНИИЖТ, 2000 г.

43. Полимерные композиты-2000 (Полином-2000). Международная научно-техническая конференция 12-13.09.2000 г. Тезисы докладов. Гомель-Беларусь. : ИММС АНБ. 188 с.

44. Горшков И.Е. Литьё слитков цветных металлов и сплавов. М.: Металлургиздат, 1952, 416 с.

45. Добаткин В. И. Слитки алюминиевых сплавов. Свердловск, : Металлургиздат, 1960, 176 с.

46. Золоторевский В. С. Структура и прочность литых алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1981, 192 с.

47. Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 544 с.

48. Рудницкий Н. М., Рассадин Ю. А., Николаенко Е. Г. и др. Бесслитковая прокатка алюминиевых антифрикционных сплавов. Тр. НАМИ, вып.82, М., 1966, с. 70-81.

49. Добаткин В. И., Буше Н. А., Елагин В. И., Мудренко Г. А. Способ получения алюминиевого сплава. Авт. свид. СССР № 349746, опубл. 04.11.1972.

50. Гельфгат Ю. М., Соркин М. Э., Микельсон А. Э. Распределение компонентов в расплаве несмешивающихся металлов в скрещённых электромагнитных полях. // Магнитная гидродинамика, 1977, № 1, с. 121 124.

51. Горбунов В. Г., Исследование возможности получения сплавов системы алюминий-свинец с помощью ультразвука. В сб. Ультразвук в машиностроении, вып 2, М., 1969, с. 197-201.

52. Курдюмов А. В., Пикунов М. В., Чурсин В. М. Литейное производство цветных и редких металлов. М.: Металлургия, 1982. 352 с.

53. Балахонцев Г. А., Барбанель Р. И., Бондарев Б. И. и др. Производство полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Справ, изд . / 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1985, 352 с.

54. Альтман М. Б., Андреев А. Д., Балахонцев Г. А. и др. Плавка и литьё алюминиевых сплавов. Справ, изд. / 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1983, 352 с.

55. Добаткин В. И. Слитки алюминиевых сплавов. Свердловск, Металлургиздат, 1960,176 с.

56. Юдкин В. С. Производство и литьё сплавов цветных металлов. Технологические основы процессов литья цветных металлов и сплавов, ч II. М.: Металлургия, 1971,424 с.

57. ОСТ 24.067.40-84, Вкладыши коренных и шатунных подшипников дизелей и газовых двигателей., 14 с.

58. Гинцбург Б.Я. О посадке подшипников в постели. // Вестник машиностроения. 1951, № 12, С.5-15.

59. Салтыков М.А. К расчету натягов и усилий на стыках тонкостенных вкладышей разъемных подшипников. //Вестник машиностроения. 1962,№ 12, С.7-12.

60. Быков В.Г., Салтыков М.А. Уточнённая методика расчета посадки тонкостенных вкладышей для подшипников коленчатых валов дизелей. // Двигателестроение. 1985, № 10. С.60-62.

61. Салтыков М.А. Расчет затяжки, деформаций и напряжений в узлах разъемных подшипников с тонкостенными вкладышами при использовании ЭВМ "Урал". // Турбопоршневые двигатели, М.: Машиностроение, 1965, С.177-193.

62. Жаров И.А., Зайчиков А.В. Упрощённая методика расчёта посадки вкладышей для подшипников коленчатых валов дизелей. // Вестник машиностроения. 1999. № 12. С.28-31.

63. Определение характеристик материала ДО 10-С2 (A)SnlOPb2CuZr по усталостной прочности и антизадир вы н свойствам для возможно! использования ?того сплава при производстве вкладышей подшепни» скольжения высохокагруженных двигателей.3. Методике испытай»»

64. Испытание проводилось в КБ доводка и испытания лодшаииляш» скольжения С КТО ПС на инерционной машине «ЗМЗ» согласно методи: ЛМ 1I50.485-9P4, Объект испытание

65. Испытания вкладышей с опытным подшипником материв: проводились при нагрузках;• 550 кгс/см 1 (три испытания)- 575 кг с/см * (два испытания)