автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Совершенствование финишной обработки шеек коленчатого вала путём применения модифицирующих материалов

На правах руурияр

КОРАБЛЁВ АНДРЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ШЕЕК КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА ПУТЁМ ПРИМЕНЕНИЯ МОДИФИЦИРУЮЩИХ

МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.20.03 —Технологии и средства технического обслуживания

в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург-Пушкин 2006

ВПО «Санкт-Петербургский государственный

доктор технических наук, профессор

Сковородин Василий Яковлевич доктор технических наук, Ожегов Николай Михайлович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Воронков Владимир Данилович

Ведущая организация: ФГНУ Северо-Западный научно-

исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (СЗ НИИМЭСХ)

Работа выполнена в ФГОУ аграрный университет»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Защита состоится «26» декабря 2006 г. в 11 час.00 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 при Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 196601, г. Санкт-Петербург — Пушкин, Петербургское шоссе, д.2, СПбГАУ, ауд. 2.719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «2-Ц» 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Вагин Б. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

Ресурс двигателей внутреннего сгорания автомобилей во многом зависит от износостойкости кривошипно-шатунного механизма, в частности — коленчатого вала. Поэтому качественное восстановление коренных и шатунных шеек коленчатого вала позволяет сохранить работоспособность автомобилей, тракторов и комбайнов. Окончательной технологической операцией ремонта двигателя, определяющей долговечность деталей и надежную работу двигателя является обкатка. За время стендовой обкатки на эксплуатационных маслах приработка деталей завершиться не может. Заводы предписывают обкатывать двигатели в условиях хозяйств с пониженными скоростями и нагрузками. Эксплуатация машин на облегченных режимах, как правило, не проводится, а преждевременный перевод двигателей на работу с полной мощностью приводит к повышенным износам, задирам деталей и даже заклиниванию двигателей. В связи с этим крайне важно обеспечить такие свойства поверхности, которые помогут противостоять этим пагубным воздействиям. Особое внимание необходимо уделить окончательной операции при обработке поверхности, т.к. именно этой операцией закладываются ее основные свойства и от этого зависит её дальнейшая эксплуатация. В настоящее время существуют различные способы финишной обработки шеек коленчатых валов с применением различных материалов. Влияние видов обработок и модифицирующих материалов на конечные свойства поверхности мало изучены.

Всё это свидетельствует о том, что имеется актуальная для машиностроения «проблема». Одна из её сторон касается создания методов обработки, испытания и оценки свойств модифицирующих материалов для финишной обработки. Другая её сторона заключается в повышении работоспособности сопряжения «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника» путём проведения финишной обработки с применением модифицирующих материалов.

Диссертация выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Санкт-Петербургского государственного аграрного университета по проблеме 9 «Создание и освоение прогрессивных технологий технического сервиса машин и оборудования».

Цель исследования. Совершенствование финишной обработки шеек коленчатого вала применением модифицирующих материалов.

Объект исследования. Коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания.

Научная новизна. Научную новизну представляют: — методика проведения финишной обработки с применением модифицирующих материалов;

— методика оценки свойств поверхности после финишной обработки модифицирующими материалами;

— данные по задиростойкости и износостойкости деталей сопряжения «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника» после финишной обработки с применением модифицирующих материалов.

Практическая ценность работы. Практическая значимость работы заключается в рекомендациях по проведению финишной обработки шеек коленчатого вала путём применения модифицирующих материалов, позволяющей повысить границу схватывания, при которой происходит заедание рабочих поверхностей сопряжения «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника», уменьшить интенсивность изнашивания, снизить значение величины коэффициента трения и повысить долговечность сопряжения.

Апробация. Основные положения и результаты исследований представлены, обсуждены и одобрены на ежегодных научных конференциях Санкт-Петербургского аграрного университета в 2003 — 2006 г.

Внедрение. Материалы исследования приняты для разработки новых составов композиций в ООО «Пиотр» и НПО «Трибо».

Результаты исследований используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 4 статьях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5~ разделов, общих выводов и списка литературы из гз наименований, включает //¿^страницы, /¿? таблиц и рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассмотрены основные вопросы работоспособности сопряжения «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника»: произведён анализ конструктивных особенностей, свойств поверхностных слоёв и режимов работы данного сопряжения; рассмотрены вопросы контактирования и повреждения поверхностей сопряжения при трении, а так же технологические методы повышения износостойкости и задиростойкости поверхностей; приведён процесс финишной обработки шеек коленчатого вала путём применения модифицирующих материалов.

Исследованием и разработкой методов улучшения процессов окончательной обработки трущихся поверхностей занимались многие известные ученые. Данной теме посвящены научные работы следующих авторов: И.В. Крагельский, Д.Н. Гаркунов, A.A. Поляков, В.Я. Матюшенко, Е.А. Панфилов, И.Г. Космачев, A.A. Маталин, Э.В. Рыжов, П.М. Курганский,

Б.И. Костецкий, А.П. Грибайло, Ф.Х. Бурумкулов, B.C. Комбалов, М.Н. Добычин, А.П. Семёнов, И.Е.Фрагин.

Анализ проведённых исследований показывает, что, несмотря на большое число работ, посвященных разработке методов улучшения процессов окончательной обработки трущихся поверхностей некоторые вопросы требуют дальнейшего изучения. В частности мало представлено исследований по проведению процессов окончательной обработки с применением модифицирующих материалов.

Исходя из вышеизложенного, поставлены следующие задачи исследования:

-Теоретически обосновать возможность повышения износостойкости сопряжения «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника» применением финишной обработки шеек модифицирующими материалами.

-Разработать способ финишной антифрикционной обработки шеек модифицирующими материалами.

-Оценить влияние финишной антифрикционной обработки шеек коленчатого вала модифицирующими материалами на износо- и задиростойкость сопряжения «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника»

Во второй главе «Расчетно-теоретический анализ» дается теоретический анализ влияния финишной антифрикционной обработки шеек коленчатого вала модифицирующими материалами на долговечность сопряжения «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника».

Анализ механизма приработки позволяет сделать вывод о том, как можно уменьшить изнашивание подшипника правильным конструктивным и технологическим оформлением, т.е. используя понятие о равновесной шероховатости соответствующей минимальным величинам сил трения и интенсивности изнашивания, можно создать такое качество поверхности вала, которое исключит приработку на микроуровне.

Реализовать качество поверхности вала, которое исключит приработку на микроуровне а так же шероховатости поверхности и нормальные напряжения приводящие к минимальным моментам трения можно с помощью финишной обработки модифицирующими материалами.

По данным Михина Н.М. и Добычина М.Н. изменение среднего арифметического отклонения профиля Ra при финишной обработке протекает по гиперболическому закону:

Как — среднее арифметическое отклонение профиля поверхности вала изменяющееся при обработке (мкм);

Яа„ — начальное среднее арифметическое отклонение профиля вала, задаётся предшествующей обработкой, 0,63 мкм; / — время механоактивации (час);

ЛГ - коэффициент зависящий от нагрузки механоактивации и параметров среды.

<Тт

Р — нагрузка механоактивации (МПа);

- предел текучести материала, 0,065 Мпа;

У - коэффициент трения учитывающий параметры среды в которой происходят взаимодействия по И.В. Крагельскому:

1,4

ЕК (3)

То — сдвиговое сопротивление при экстраполяции нормального давления к нулю, 9 МПа;

Р — пьезокоэффициент молекулярной составляющей трения; /л — коэффициент Пуассона для материала прижима, 0,22; Е — модуль упругости для материала прижима, 0,62- 105МПа; аэф — коэффициент гистерезисных потерь при скольжении, 0,075.

Подставляя выражения (2) и (3) в (1) получим формулу для расчёта средне арифметического отклонения профиля изменяющегося при обработке, в зависимости от нагрузки механоактивации, времени обработки и параметров среды, в которой осуществляется взаимодействие, получим:

Ка = _Яан-сгт-Е^ ____

1,4.р.т£ -4 •(!~М2У2 +ЕЦ-Яо„-Р-Р + сГг)

Для реализации экстремальной задачи воспользуемся факторным планированием и зададим варьируемые факторы: Р =1-5 МПа; / =0,16-1 час; 0,08 - 0,17.

Концентрация модификатора ТСК в рабочей композиции при финишной обработке существенно влияет на значение пьезокоэффициента.

Графически данные полученные в ходе расчёта представлены 3-х мерными поверхностями отклика, описываемыми полиномом второго порядка на рис.1 и 2:

Рис.1 Зависимость расчетной шероховатости поверхности Как вала от концентрации модификатора ТСК и нагрузки механоактивации при финишной обработке.

Рис.2 Зависимость расчетной шероховатости поверхности Яак вала от концентрации модификатора ТСК и времени механоактивации при финишной обработке.

Анализ зависимостей приведённых на рисунках 1 и 2, показывает, что значение средне арифметического отклонения 11а, соответствующего значениям приработанной поверхности достигается уже на 25 — 30 ой минуте обработки, при нагрузке 3,5 — 4,5 МПа и концентрации ТСК 1,5-2%. Оптимум параметра На достигается при времени обработки 50 минут.

Анализ влияния финишной обработки вала на работу подшипников скольжения произведен по величине интенсивности изнашивания вкладыша (наиболее изнашиваемой детали в сопряжении «вал - вкладыш»), рассчитанной по методике Крагельского И.В., в которой учтены параметры поверхности после обработки, оказывающие влияние на работоспособность узла.

Г \1+0Г'.У

Р©

А 2

Л=с

К

\ у У

г

ц

\1У

ст<

о ©У

-Пс *

Где: а,С,Ку и Кут - коэффициенты зависящие от параметра опорной кривой профиля и коэффициента трения, рассчитанные по литературным данным; Р — номинальное давление, МПа; 0 — упругая постоянная материала вкладыша, МПа"1; ^,сг0- константы фрикционной усталости материала вкладыша; А —

комплексный параметр шероховатости рабочей поверхности вала. г]с -коэффициент учета волнистости контактирующих поверхностей

-V Большинство аргументов этой функции являются случайными величинами, имеющими различные функции распределения. Решение уравнения в общем виде не представляется возможным. Расчет в этом случае целесообразно производить методом статистического моделирования по следующим функциям распределения:

Функции распределения параметров для варианта работы с полированной поверхностью.

/О) = 0,0441

у Л Щ?)

39,27

№

= 0,038-Г—-—V 1^57.46)

(—Т

V 57.46 )

е

(Л-500.04)д

/(/?) = 0,079 е 49 8

(Д^-14)2 /(^ш«) = 2,66 е 0 045

(/-0.037)3

/(/г) = 797.88-е 0Л10"

Функции распределения параметров для варианта работы с модифицированной поверхностью.

/■ 4 0,6146 ( у У'*"*1

Ди)= 0,024 е~[в5-69}

' V.65,69)

( А у-515 -Г-^Т"5

/(6) = 0,0364 • — 7 1^69,107;

(Д-474,99)2

/(Л) = 0,077-/ 5271 /(*_) = 2,66е 0045

(/-0.034)2

/(/г) = 1333,3-е" °-,8Ш"6

Результаты расчёта представлены в виде плотности распределения интенсивности изнашивания рабочей поверхности вкладыша на рис. 3

1*10

0.6 1,0 1.8 2,0 2.9 3.0 3.5 4.0 4.6 6.0 8,9 6.0 6.5 7.0

Интенсивность изнашивания 1*10"12 Рис.3 Плотность распределения интенсивности изнашивания рабочей поверхности вкладыша

Результаты расчетов показывают, что применение финишной обработки модифицирующими материалами в качестве окончательной

обработки шейки вала, позволяет снизить интенсивность изнашивания вкладыша при работе в сопряжении с валом на 56%, по сравнению с работой сопряжения после полирования.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» изложена методика проведения лабораторных исследований. На этом этапе производились: разработка и реализация процесса финишной антифрикционной обработки шейки вала модифицирующими материалами и разработка методики проведения испытаний поверхности после финишной антифрикционной обработки модифицирующими материалами на износ и задиростойкость с использованием машины трения 2070 СМТ-1.

При реализации финишной обработки, в качестве лабораторного образца, имитирующего шейку вала, применялись ролики с размером и качеством поверхности соответствующим технологическим стандартам на изготовление и обработку коленчатых валов. Для изготовления роликов использовался материал, наиболее широко применяемый в настоящее время на отечественных предприятиях по производству коленчатых валов - сталь Ст. 45. Твердость поверхности 52...62 1ШС достигалась закалкой методом ТВЧ. Окончательной операцией перед финишной обработкой было назначено шлифование.

Для механоактивации рабочей смеси на поверхности образца, разработано приспособление для финишной обработки представленное на рис.4

Рис.4 Схема приспособления для финишной обработки. 1.Крышка коренного подшипника; 2.Вкладыш коренного подшипника; З.Испытуемый образец; 4,Отверстие для подачи модифицирующего раствора;5. Шайба фиксации вкладыша; 6. Болт.

Защитная антифрикционная плёнка формировалась в результате физико-химических процессов, происходящих между рабочей средой и обрабатываемой поверхностью при механической активации поверхности инструмента

Процесс обработки производился на основе многофакторного эксперимента по композиционному рототабельному плану второго порядка.

Подвергнутые финишной обработке образцы испытывались в паре трения с вкладышем на машине трения СМТ в двух вариантах: на задир и на изнашивание.

Для моделирования сопряжения вал — вкладыш, была использована схема «ролик-колодка». В качестве «колодки» использовался сегмент вкладыша ВК-2101-1000102-01 производства ОАО «Заволжский моторный завод».

Целью проведения испытаний на задир, являлось определение способности поверхности после финишной антифрикционной обработки модифицирующими материалами противостоять задирам. Это осуществлялось путём определения максимальной нагрузки действующей на образцы, выдерживаемой до появления схватывания. Нагрузка на образцы поднималась начиная с 1 МПа, ступенчато через равные временные отрезки Т=10 мин., на равную величину Р=0,33 МПа до момента схватывания.

Целью проведения испытаний на износ было выявление противоизносных свойств поверхности после финишной антифрикционной обработки модифицирующими материалами.

Это реализовывалось путём сравнения геометрических параметров образцов до установки на машину трения и после снятия. При проведении эксперимента, нагрузка на образцы поднималась ступенчато начиная с 1 МПа, через равные временные отрезки Т=10 мин. на равную величину Р=0,33 МПа до нагрузки Р=3,98 МПа. При достижении такого уровня, дальнейшее повышение нагрузки прекращалось и эксперимент продолжался при её постоянном значении ещё 180 минут.

Частоту вращения и величину нагрузки выбирали исходя из условий работы реальных машин. Требовалось воспроизвести работу коленчатого вала под воздействием большой нагрузки при его низкой частоте вращения. Это вызывает наибольший интерес, т.к. при таком сочетании параметров может произойти продавливание масляного клина, в этом случае коленчатый вал опускается на вкладыши и начинается процесс граничного трения. Этот режим работы наиболее опасен с точки зрения повышенного износа и схватывания поверхностей.

Поэтому, при воспроизведении факторов, были приняты следующие значения: частота вращения 1000 об/мин, нагрузка 6-8 МПа.

Качественные показатели поверхности задавались финишной антифрикционной обработкой модифицирующими материалами. Перед испытанием образцы подверглись такой обработке.

Для решения интерполяционной задачи, требовалось определение зависимости между параметрами оптимизации и факторами, в той или иной степени влияющими на них.

При проведении экспериментов определялись показатели характеризующие процесс трения:

- температура трения в контакте определялась методом естественной термопары при помощи хромель-копелевой термопары ТХК и микропроцессорного программируемого измерителя типа 2ТРМОА-Щ1.ТП класса точности 0,5.

-определение коэффициента трения осуществлялось перерасчётом момента трения. Момент трения определялся при помощи бесконтактного индукционным датчиком.

определение величины износа образца «колодка» проводилось гравиметрическим методом с использованием механических весов типа ВЛА—200—М (погрешность измерения ± 0,001 гр.), а «ролика» — объёмным методом, при помощи профилографа-профилометра модели 201, завода «Калибр».

- для определения нагрузки схватывания, фиксировалась максимальная нагрузка выдерживаемая до появления задиров и катастрофического повреждения поверхности образцов.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты лабораторных испытаний.

Для изучения влияния финишной антифрикционной обработки шейки вала на работоспособность сопряжения вал-вкладыш были проведены испытания вала обработанного модифицирующими материалами при работе в сопряжении с вкладышем. В качестве модифицирующего материала был выбран состав из основного материала и антифрикционных добавок -композиции СУРМ и геомодификатора ТСК. Определение оптимальных параметров процесса обработки производилось на основе многофакторного эксперимента. Эксперименты проводились по композиционному рототабельному плану второго порядка. Для этого плана варьируемыми факторами являются:

- содержание композиции СУРМ (0 - 8%);

- содержание геомодификатора ТСК (0 - 2%);

- нагрузка механоактивации (0-6 МПа);

- время обработки, (0-70 мин).

В качестве оптимизируемых параметров приняты: -нагрузка схватывания рабочих поверхностей, МПа; -интенсивность изнашивания вала и вкладыша; -шероховатость поверхности (Яа,Яг и Ятах), мкм.

Графически полученные данные представлены 3-х мерными поверхностями, описываемыми полиномом второго порядка. Результаты исследований

позволяют определить рациональные условия проведения финишной обработки шеек коленчатых валов автотракторных двигателей.

Рис.5 Зависимость величины износа вала от содержания в рабочей смеси геомодификатора ТСК и времени механоактивации при финишной обработке вала.

Рис.6 Зависимость нагрузки схватывания рабочей поверхности вала и вкладыша от содержания в рабочей смеси модификатора СУРМ и нагрузки механоактивации при финишной обработке вала.

Насыщение рабочей поверхности вала антифрикционными материалами при финишной обработке вала существенно зависит от времени обработки. На рис.5 и 8 показаны графики зависимости величины износа вала и зависимость нагрузки схватывания рабочей поверхности вала и вкладыша от содержания в рабочей смеси модификаторов и времени механоактивации при финишной обработке вала. Наилучшие показатели по величине износа проявляются при содержании ТСК 1,2-1,4%, а по величине нагрузки схватывания проявляются при содержании СУРМ 6-7% при времени механоактивации 45минут, но необходимые свойства поверхности достигаются уже на 30-ой минуте.

Влияние управляемых факторов при финишной обработке вала на величину нагрузки схватывания рабочих поверхностей показана на рис. 6. Работоспособность подшипника увеличивается с увеличением в рабочей смеси модификатора СУРМ. Эффект обработки с увеличением содержания СУРМ сначала быстро возрастает, но затем постепенно замедляется. Так как модификатор СУРМ содержит мягкие металлы, для насыщения ими рабочей поверхности не требуется больших нагрузок механоактивации.

На рис.7 показана зависимость интенсивности изнашивания вкладыша от содержания геомодификатора ТСК и нагрузки механоактивации. Из графика видно, что по параметру интенсивности изнашивания имеется ярко

выраженный оптимум. Оптимальными значениями управляющих факторов являются:

- содержание ТСК в пределах 1>4-1>6%,

- нагрузка механоактивации в пределах 4- 4,4 МПа

1 2 3 4 5 6

Нагрузка механоактивации, МПа

Рис.7 Зависимость интенсивности

изнашивания вкладыша от содержания в рабочей смеси ТСК и от нагрузки механоактивации при финишной обработке вала (поверхность и сечение поверхности.)

Время обработки, мин.

Рис.8 Зависимость нагрузки схватывания рабочих поверхностей от содержания в рабочей смеси модификатора СУРМ и времени обработки при финишной обработке вала (поверхность и сечение поверхности.)

Существенное влияние на процесс изнашивания оказывают микрогеометрические параметры поверхности. В связи с этим был произведён анализ микрогеометрии поверхности, после финишной антифрикционной обработки модифицирующими материалами, с целью выявления режимов обработки обеспечивающих оптимальную

шероховатость. Количественно шероховатость оценивалась средне арифметическим отклонением профиля Ra, мкм. Значения параметра шероховатости определялось методом ощупывания сечения с использованием прибора Perthometer М2 (DIN EN ISO 3274).

0.0 0.2 0,4 0.6 0,8 1,0 1.2 1,* 1,6 1,8 2.0 СодержаниеТСК %

Рис.9 Зависимость шероховатости поверхности вала при финишной обработке от содержания в рабочей смеси геомодификатора ТСК и

нагрузки механоактивации (поверхность и линии сечения одинаковых значений 11а)

О 10 20 30 40 60 60 7С Время обработки, мин

Рис.10 Зависимость шероховатости поверхности вала при финишной

обработке от времени механоактивации и содержания в рабочей смеси композита СУРМ (поверхность и линии сечения одинаковых значений Яа)

Из графиков рис.9., видно, что повышение содержания модификатора ТСК в рабочей композиции приводит к снижению уровня шероховатости рабочей поверхности. Это связано со способностью геомодификаторов ТСК в процессе механоактивации производить микрошлифовку обрабатываемой поверхности, что вызывает снижение шероховатости. Оптимальными значениями управляющих факторов являются:

- нагрузка механоактивации 3 — 3;5 МПа,

-содержание модификатора ТСК - 1,4 — 1,6%.

Шероховатость поверхности находится в зависимости от времени обработки, и концентрации действующего вещества в композиции. Из графиков рис.10 видно, что снижение шероховатости происходит на протяжении первых 30 минут обработки, это позволяет сделать вывод, о том, что на этом этапе происходит притирание поверхности с ликвидацией основных пиков микрорельефа. Своего минимального значения шероховатость достигает при времени обработки 40 — 45 минут. При увеличении времени проведения обработки, шероховатость повышается. Это обуславливается тем, что в период длительной обработки происходит перенасыщение поверхности действующими модифицирующими веществами.

Сопоставляя режимы финишной обработки и результаты экспериментов по износостойкости вала и вкладыша, задиростойкости рабочих поверхностей и шероховатости можно сделать вывод, что необходимые параметры поверхности достигаются при:

- времени обработки 30 минут,

- нагрузке механоактивации 3,5-4МПа,

-концентрации модифицирующих материалов Сурм 6-7% и ТСК 1,3-1,5%.

Результаты исследования работоспособности сопряжения вал — вкладыш при финишной обработке вала на указанных режимах приведены ниже.

Противозадирные свойства поверхности после финишной антифрикционной обработки модифицирующими материалами характеризовались величиной значений температуры и коэффициента трения в зоне контакта, динамикой их изменения при изменении нагрузки и времени, а так же нагрузкой выдерживаемой сопряжением до момента схватывания. На каждом графике представлены кривые зависимостей при испытаниях вала в сопряжении с вкладышем после различных видов окончательной обработки таких как: шлифование, полирование и финиширование.

Анализ зависимостей рис.11 и 13 показывает, что использование финишной обработки модифицирующими материалами СУРМ и ТСК в качестве окончательной обработки вала позволяет снизить коэффициент трения в среднем на 15-20% по сравнению с другими видами окончательной обработки. При повышении нагрузки обеспечивается, снижение показателя, что является важной характеристикой т.к. эта нагрузка равна 4-5МПа и соизмерима с нагрузками на подшипники вала в реальном двигателе.

Зависимости на рис.12 показывают, что температура носит стабильный характер, обладая стремлением к повышению, ламинарно, без скачков как во времени, так и при повышении нагрузки для всех видов обработки, до определённого момента, до нагрузки 4-5МПа и времени 100-120 мин, после чего температура в сопряжениях вкладыша с валом после шлифования и

полирования резко повышается, характеризуя собой момент схватывания поверхностей.

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Время, мин

Рис.11 Зависимость коэффициента трения в сопряжении вал — вкладыш от времени при разных видах окончательной обработки поверхности шеек коленчатого вала.

После фи»*!и*юй обработки. v4 Поел» полирования !

После шлифования ..........

2 3 4 5 6 7 8 Нагрузка, МПа Рис.13 Зависимость изменения коэффициента трения в сопряжении вал — вкладыш от нагрузки при разных видах окончательной обработки поверхности шеек коленчатого вала.

8 7

е ,¡

4 i 3 3

2 1

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Время, мин.

Рис.12 Зависимость температуры в сопряжении вал — вкладыш от времени при разных видах окончательной обработки поверхности шеек коленчатого вала

.ММ 1.....1--I-Í X После, полирок хч После шлифов, Mili rl .„i....}.. .;. . . j-> i -..... ¡E........i.....¡ir 4-......

тн .J.......

i i i í......Г......i.......!• ......

:......i......-bf ........i...............................!.......... 1 s ; * ¡ ■ í

ТТШГХ.

i

S 6.5 i

gs.o 2

¡5 6,e

(9

z

5,0 4.5

ж

0 -Среди«« ЭММвНИФ ГВ1 -Стандартная ошгёка

1 'Стандартно«

При фммпиой обработке Прм полировании

При шлифовании

Рис.14 Значения нагрузки схватывания в сопряжении вал — вкладыш при разных видах окончательной обработки шеек вала.

Из распределения значений нагрузки схватывания в сопряжении вал — вкладыш при разных видах окончательной обработки шеек вала представленных на рис.14 видно, что максимальная нагрузка схватывания при работе сопряжения вал-вкладыш после шлифования достигает 5,3 МПа, а после полирования 6,0МПа.

При проведении финишной обработки модифицирующими материалами, нагрузка схватывания увеличилась до 7,5 МПа, т.е. на 40% по сравнению с работой поверхности после шлифования и на 25% после полирования.

Противоизносные свойства поверхности после финишной антифрикционной обработки модифицирующими материалами характеризовались величиной интенсивности изнашивания вкладыша и величиной износа шейки вала.

Рис.15 Интенсивность изнашивания Рис.16 Износ шейки вала при работе вкладыша при работе с валом после с вкладышем, после различных видов различных видов окончательной окончательной обработки,

обработки.

Интенсивность изнашивания вкладыша (рис.15) при работе в сопряжении с валом после шлифования достигает 4,8-10"12, а после полирования 3,5-10'12. При проведении финишной обработки вала модифицирующими материалами, интенсивность изнашивания вкладыша снижается до 2,6-10"12, т.е. на 45% по сравнению с интенсивностью изнашивания вкладыша при работе с валом после шлифования и на 26% после полирования.

После финишной обработки модифицирующими материалами износ шейки вала (рис.16) составляет 0,52 отн.ед. Этот показатель, ниже значения износа шейки при проведении шлифования почти в 2 раза (износ шейки вала 1 отн.ед.) и полирования в 1,6 раза (износ шейки вала 0,81 отн.ед.).

Результаты, полученные в ходе экспериментов, позволили сделать

вывод, что применение финишной обработки вала модифицирующими материалами существенно снижает значения интенсивности изнашивания вкладыша и линейный износ вала. Это происходит за счёт особой антифрикционной структуры поверхности.

В пятой главе «Рекомендации по проведению финишной обработки шеек коленчатого вала путём применения модифицирующих материалов» представлены рекомендации по проведению финишной обработки с назначением параметров обработки и их обоснованием.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана модель триботехнического процесса финишной обработки шеек коленчатого вала, отличающаяся учетом влияния модифицирующих материалов.

2. Расчётно-теоретическим анализом установлена эффективность применения финишной обработки шеек коленчатого вала модифицирующими материалами. В процессе расчётно-теоретического анализа определено:

- что основные расчетные параметры финишной обработки составили: нагрузка механоактивации 3,5-4,5 МПа, время обработки 25 — 30 минут, концентрация модификатора ТСК -1,5-2%;

что применение финишной обработки модифицирующими материалами для обработки шейки вала, позволяет снизить интенсивность изнашивания вкладыша на 56%.

3. В ходе разработки и реализации технологии финишной антифрикционной обработки шеек коленчатого вала модифицирующими материалами, установлены технологические параметры обработки позволяющие достигнуть оптимальных свойств и качества поверхности с шероховатостью 11а=1,5-2мкм, они составили: нагрузка механоактивации 3,5 МПа, время обработки 30 минут, концентрация модификатора Сурм 7% ТСК-1,6%;

4. Применение финишной обработки модифицирующими материалами увеличило нагрузку схватывания в сопряжении «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника» на 25-30%.

5. Интенсивность изнашивания вкладыша уменьшилась на 25-40%, а износ вала сократился в 1,6-2раза в сопряжении «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника» при применении финишной обработки вала модифицирующими материалами.

6. Коэффициент трения в сопряжении «шейка коленчатого вала — вкладыш подшипника» при применении финишной обработки вала модифицирующими материалами снизился на 15-20%.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Сковородин В.Я., Кораблёв A.B., Исследование работоспособности сопряжения вал — вкладыш при финишной обработке вала модифицирующими материалами // Надёжность и ремонт транспортных и технологических машин в сельском хозяйстве: Сборник научных трудов, вып.5 / СПбГАУ, Санкт-Петербург, 2006.-е. 108-119.

2. Кораблёв A.B. Экспериментальное исследование контактной жесткости и износостойкости поверхности после финишной обработки// Надёжность и ремонт транспортных и технологических машин в сельском хозяйстве: Сборник научных трудов, вып.5 / СПбГАУ, Санкт-Петербург, 2006.-С.54-58

3. Кораблёв A.B. Финишная обработка трибосопряжений с использованием модифицирующих материалов // Известия Санкт — Петербургской лесотехнической академии: Сборник докладов молодых учёных на ежегодной научной конференции Санкт — Петербургской лесотехнической академии, вып 11/ СПбЛА, Санкт-Петербург,2006. -с. 119124.

4. Кораблёв A.B. Методика оценки антизадирных свойств поверхности после финишной антифрикционной обработки // Надёжность и ремонт транспортных и технологических машин в сельском хозяйстве: Сборник научных трудов, вып.4 / СПбГАУ, Санкт-Петербург, 2005.-е. 57-60.

Подписано в печать 24.11.2006 Бумага офсетная. Формат 60X90 1/16 Печать трафаретная, усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 671

Отпечатано с оригинал-макета заказчика в копировально-множительном центре "АРГУС". Санкт-Петербург—Пушкин, ул. Пушкинская, д. 28/21, тел.: (812) 451-89-88

Per. №233909 от 07.02.2001

ВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Особенности подшипников коленчатых валов ДВС.

1.1.1. Актуальность повышения надежности подшипников коленчатых валов ДВС.

1.1.2.Конструкция подшипников коленчатого вала.

1.1.3. Вкладыши подшипников коленчатого вала.

1.2. Режимы работы подшипников коленчатого вала.

1.2.1. Работа при граничном трении.

1.2.2. Работа при жидкостном трении.

1.2.3. Работа при полужидкостном трении.

1.3. Контактирование поверхностей при трении.

1.4. Повреждение поверхностей.

1.4.1. Изнашивание при истирании поверхностей.

1.4.2. Изнашивание при схватывании поверхностей.

1.5. Технологические методы повышения износо- и задиростойкости поверхностей трения.

1.6. Финишная антифрикционная обработка.

1.6.1.Общие сведения.

1.6.2. Разновидности процессов финишной обработки.

1.6.3.Финишная обработка модифицирующими материалами.

1.7. Выводы и задачи исследования.

2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ.

2.1 Предпосылки расчёта.

2.2. Определение оптимальной шероховатости.

2.3. Исследование влияния финишной обработки вала на работу подшипников.

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Общая методика проведения исследований.

3.2. Методика проведения финишной антифрикционной обработки модифицирующими материалами.

3.2.1 Анализ выбранных модифицирующих материалов.

3.2.3. Проведение финишной антифрикционной обработки по схеме многофакторного эксперимента.

3.2.4. Выявление шероховатости обработанной поверхности.

3.3. Методика проведения испытаний на износо- и задиростойкость с использованием машины трения.

3.3.1. Факторы оказывающие влияние на сопряжение.

3.3.2. Определение параметров оптимизации при проведении испытаний на машине трения.

3.3.3. Общая схема моделирования процесса.

3.3.4. Методика испытаний противозадирных свойств поверхности после финишной антифрикционной обработки модифицирующими материалами.

3.3.5. Методика испытаний противоизносных свойств поверхности после финишной антифрикционной обработки модифицирующими материалами.

3.4. Методика обработки экспериментальных данных.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ ФИНИШНОЙ АНТИФРИКЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ШЕЙКИ ВАЛА НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ СОПРЯЖЕНИЯ ВАЛ-ВКЛАДЫШ.

4.1. Результаты экспериментальных исследований процесса финишной антифрикционной обработки шейки коленчатого вала.

4.2. Результаты исследования работоспособности сопряжения вал -вкладыш.

4.2.1. Результаты испытаний противозадирных свойств поверхности после финишной антифрикционной обработки модифицирующими материалами.

4.2.2. Результаты испытаний противоизносных свойств поверхности после финишной антифрикционной обработки модифицирующими материалами.

4.2.3. Выводы по лабораторным исследованиям.

5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ШЕЕК КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА ПУТЁМ ПРИМЕНЕНИЯ МОДИФИЦИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ.

5.1. Подготовка деталей к финишной обработке.

5.2. Финишная обработка шеек коленчатого вала модифицирующими материалами.

В связи с изложенным потребовалась совершенствование процессаокончательной обработки шеек коленчатого вала.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана модель триботехннческого процесса финишной обработки шеек коленчатого вала, отличающаяся учетом влияния модифицирующих материалов.

2. Расчётно-теоретическим анализом установлена эффективность применения финишной обработки шеек коленчатого вала модифицирующими материалами. В процессе расчётно-теоретического анализа определено:

- что основные расчетные параметры финишной обработки составили: нагрузка механоактивации 3,5-4,5 МПа, время обработки 25 - 30 минут, концентрация модификатора ТСК -1,5-2%;

- что применение финишной обработки модифицирующими материалами для обработки шейки вала, позволяет снизить интенсивность изнашивания вкладыша на 56%.

3. В ходе разработки и реализации технологии финишной антифрикционной обработки шеек коленчатого вала модифицирующими материалами, установлены технологические параметры обработки, позволяющие достигнуть оптимальных свойств и качества поверхности с шероховатостью 11а=1,5-2мкм, они составили: нагрузка механоактивации 3,5 МПа, время обработки 30 минут, концентрация модификатора Сурм 7% ТСК -1,6%;

4. Применение финишной обработки модифицирующими материалами увеличило нагрузку схватывания в сопряжении «шейка коленчатого вала -вкладыш подшипника» на 25-30%.

5. Интенсивность изнашивания вкладыша уменьшилась на 25-40%о, а износ вала сократился в 1,6-2раза в сопряжении «шейка коленчатого вала - вкладыш подшипника» при применении финишной обработки вала модифицирующими материалами.

6. Коэффициент трения в сопряжении «шейка коленчатого вала - вкладыш подшипника» при применении финишной обработки вала модифицирующими материалами снизился на 15-20%.

1. Автомобильный справочник. Перевод с англ. Первое русское издание. М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2003. - 896 с.

2. Авдеев М.А., Воловик Е.Л., Ульман И.Е. Технология ремонта машин и оборудования. -М.: Агропромиздат, 1986. 186 с.

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя. М: Машиностроение 1980. Т. 2. - 560 с.

4. Ахматов A.C. Молекулярная физика граничного трения. М.: Физматгиз, 1963. 472 с.

5. Бабаев С.Г., Садыгов П.Г. Притирка и доводка поверхностей деталей машин. -М.: Машиностроение, 1976. 161с.

6. Баженов С.П., Казьмин Б.Н., Носов C.B. Основы эксплуатации и ремонта автомобилей и тракторов. -М.: Асадема, 2003. 340 с.

7. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. М.: Машиностроение, 1988. -487с.

8. Буше H.A., Копытько В.В. Совместимость трущихся поверхностей. М.: Наука, 1981.-128С.

9. Венцель C.B. Смазка и долговечность двигателей внутреннего сгорания. Киев: Техника, 1977. 208 с.

10. Воскресенский В.А., Дьяков В.Н. Расчет и проектирование опор скольжения. М.: Машиностроение, 1980. 224 с.

11. Гаркунов Д.Н. Трибо-техника. М.: Машиностроение, 1989. -328 с,

12. Гаркунов Д.Н., Бурмкулов Ф.Х. Финишная антифрикционная безабразивная обработка // Металловедение и термическая обработка металлов. 1982. - №3. - С. 57-59.

13. Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора. Л., Машиностроение, 1984, с. 122-131.

14. Голего Н.Л. Схватывание в машинах и методы его устранения. Киев: Техника, 1966. 231с.

15. ГОСТ 2309-73 Обозначение шероховатости поверхностей.

16. ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхностей. Параметры и характеристики.

17. Григорьев М.А., Пономарев H.H., Износ и долговечность автомобильных двигателей. М.: Машиностроение, 1976. 248 с.

18. Григорьев М.А., Долецкий В.А., Обеспечение надежности двигателей. М.: Издательство стандартов, 1978. 303 с.

19. Гузенков П.Г. Детали машин. М.: Высшая школа, 1982. - 342 с.

20. Гуркевич И.Б., Сыркин П.Э., Чумак В.И. Эксплуатационная надёжность автомобильных двигателей. -М.: Транспорт, 1994. 367с.

21. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970. -228с.

22. Демкин Н. Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. -М.: Машиностроение, 1981. -244 с.

23. Дерягин Б.В. Что такое трение. М.: Изд-во АН СССР, 1963,- 232 с.

24. Дроздов Ю.Н. и др. Трение и износ в экстремальных условиях: Справочник / Ю.Н. Дроздов, В.Г. Павлов, В.Н. Пучков,- М.: Машиностроение, 1986. 224 с.

25. Дунин-Барковский И.В., Карташова А.Н. Измерения и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности. М.: Машиностроение, 1978, - 256с.

26. Евдокимов Ю.А., Колесников В.И., Тетерин А.И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. -М.: Наука. 1980. -227с.

27. Заславский Ю.С. Трибология смазочных материалов. М.: Химия, 1991. -345с.

28. Избирательный перенос в тяжелонагруженных узлах трения/Под общ. ред. Д.Н. Гаркунова. М.: Машиностроение, 1982. - 207 с.

29. Казаков Н.Ф., Осокин A.M., Шишкова А.П. Технология металлов и других конструктивных материалов. М.: Металлургия, 1973. - 512с.

30. Карасик И.И. Прирабатываемость материалов для подшипников скольжения. М.: Наука, 1978. 185с.

31. Кащеев В. Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов. -М.: Машиностроение, 1988. 211с.

32. Комбалов B.C. Влияние шероховатости твёрдых тел на трение и износ. -М.: Наука, 1974. -112 с.

33. Конструирование и расчёт двигателей внутреннего сгорания: Учебник для вузов / Н.Х. Дьяченко, Б.А. Харитонов. Л.: Машиностроение, 1979. -392с.

34. Коновалов Е. Г., Сидоренко В.А. Чистовая и упрочняющая обработка поверхностей. Минск.: Высшая школа, 1968. - 364 с.

35. Коровчинский М. В. Теоретические основы работы подшипников скольжения. -М.: Машиностроение, 1979. 403 с.

36. Космачев И.Г., Дугин В.Н., Немцев Б.А. Отделочные операции в машиностроении. -JI.: Лениздат, 1985. 310 с.

37. Костецкий Б.И. Колениченко Н.В. Качество поверхности и трение в машинах. Киев: Техника, 1969. 215 с.

38. Крагельский И.В., Михин Н.В. Узлы трения машин. -М.: Машиностроение, 1984. 295 с.

39. Крагельский И.В., Добычин М.И. Расчётные зависимости и методы экспериментального определения износа и трения. М.: Машиностроение 1968. -215 с.

40. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. - 287с.

41. Кугель P.B. Испытания на надежность машин и их элементов. М.: Машиностроение, 1982. - 120с.

42. Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. М.: Машиностроение, 1981. -264 с.

43. Луканин В.Н., Алексеев И.В., Шатров М.Г.и др. Двигатели внутреннего сгорания. Динамика и конструирование. М.: Высшая школа, 2000. - 267 с.

44. Маликов И.И. Применение твёрдых смазок при эксплуатации и ремонте лесозаготовительной техники. -М.: Лесная промышленность, 1979. -98 с.

45. Маталин A.A. Технологические методы повышения долговечности деталей машин. Киев: техника, 1981. 144 с.

46. Мельников C.B., Алешкин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов -Л.: Колос. 1980. 139 с.

47. Методика расчётной оценки износостойкости поверхностей трения деталей машин. М.: Издательство стандартов, 1979. - 100с.

48. Методы повышения долговечности деталей машин/ В.Н. Ткачев, М.Б. Фиштейн, В.Д. Власенко. М.: Машиностроение, 1981.-271 с.

49. Минаков А.П., Ящерицын П.И. Упрочняющая обработка деталей в машиностроении. Минск: Наука и техника, 1986. 215с.

50. Митрофанов Б.П. Влияние формы и размеров соприкасающихся тел на величину сближения и площадь фактического контакта. В кн.: Теория трения и износа. М.: Наука. 1975. с. 112-115

51. Михин Н.М. Внешнее трение твёрдых тел. М.: Наука. 1977. - 222с.

52. Михин Н.М. Трение в условиях пластического контакта. М.: Наука, 1978. -104с.

53. Мишин И.А. Долговечность двигателей. М.: Машиностроение, 1976. -305 с.

54. Надёжность и ремонт машин/ В.В. Курчаткин, Н.Ф. Тельнов. М.: Колос, 2000. -776 с.

55. Налимов В.В., Чернова Н.А Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1979, -340 с.

56. Орлин A.C., Вырубов Д.Н., Круглов М.Г. Конструкция и расчёт поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1972. -464с.

57. Повышение износостойкости на основе избирательного переноса / Под ред. Д.Н.Гаркунова. М.: Машиностроение, 1977. - 215с.

58. Погодаев Л.И. Кузьмин В.Н., Дудко П.П. Повышение надежности трибосопряжений. СПб.: Академия транспорта РФ, 2001. 304 с.

59. Прочность и износостойкость деталей машин. В.П. Когаев, Ю.Н. Дроздов. М.: Высшая школа, 1991. - 256 с.

60. Ребиндер П.А. Влияние активных смазочных сред на деформирование сопряжённых поверхностей трения. В кн.: О природе трения твёрдых тел. Минск: Наука и техника, 1974, с 8 - 16.

61. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика новая область науки. -М.: Знание, 1975. -64 с.

62. Ремонт машин / Под ред. Н.Ф. Тельнова. М.: Агропромиздат, 1992. -213 с.

63. Решетов Д.Н., Иванов A.C., Фадеев В.З. Надежность машин. М.: Высшая школа, 1988. - 420 с.

64. Рудзит Я. А. Микрогеометрия и контактное взаимодействие поверхностей.- Рига: Зинатне, 1978. -210с

65. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Федоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1985. -266 с.

66. Рыжов Э.В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. Киев. Наукова думка. 1984. 211 с.

67. Сковородин В.Я., Тишкин JI.B. Справочная книга по надежности сельскохозяйственной техники. JL: Лениздат, 1986.

68. Соколов С.П., Кремень З.И. Обработка деталей абразивными брусками. -Л.: Машиностроение, 1977. 128 с.

69. Спицин Н.А, Машнев М.М. Опоры осей и валов приборов. Л.: Машиностроение, 1980. - 532с.

70. Справочник по триботехнике: В 3 т. Т.2: Смазочные материалы, техника смазка, опоры скольжения и качения/Под общ. ред. М. Хебды, A.B. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 1990. 416 с.

71. Суранов Г. И. Уменьшение износа авторемонтных двигателей при пуске. -М.: Колос, 1982. 143с.

72. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение контактной жесткости соединений. -М.: Наука, 1977. 101с.

73. Тихомиров В.Б. Планирование и анализ эксперимента. -М: Легкая индустрия, 1979. -264 с.

74. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн./Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. М.: Машиностроение, - Кн. 1. 1978.- 400 с.

75. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн./Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. М.: Машиностроение, - Кн.2. 1979. -358 с.

76. Триботехника: Учебное пособие/ Кутьков A.A., Бородай A.B., Шульга Г.И. и др./ Новочеркасский политехнический институт им. Серго Орджоникидзе. Новочеркасск, 1983. -154 с.

77. Фрагин И.Е. Новое в хонинговании. -М.: Машиностроение, 1980. -156 с.

78. Фролов К.В. Износостойкость и ресурс машин // Долговечность трущихся деталей машин: Сб. статей/ Под общ. ред. Д.Н.Гаркунова.- М.: Машиностроение, 1986 Вып. 1.-е. 5-8.

79. Шимовский В.Н., Питухин A.B. Надежность машин и оборудования. Петрозаводск, 2002.- 269с.

80. Шульц В.В. Форма естественного износа деталей машин и инструмента. Л.: Машиностроение, 1990. 208 с.

81. Ящерицын П.И., Зайцев А.Г., Барботько А.И. Тонкие доводочные процессы обработки деталей машин и приборов, Киев: Наукова думка, 1981. -257 с.